De l'allotropie des corps simples

C’est à Lavoisier que remonte la notion des c’est-à-dire des éléments que nous ne pouvons réduire par nos moyens actuels en éléments plus simples, et dont le poids se conserve invariable à travers les réactions chimiques.

L’expérience célèbre de Lavoisier sur la combustion du dia* mant, complétée par celle de Davy qui constata que le seul produit de la combustion était l’acide carbonique, tendait à montrer qu’un même corps simple peut se présenter sous plusieurs états différents.

Mais cette conclusion ne fut pas tirée tout d’abord.

On admit en effet pendant longtemps que l’identité de la composition chimique entraînait l’identité des propriétés. C’était même un axiome pour Haüy, l’un des fondateurs de la cristallographie.

Cependant les expériences faites sur divers corps composés ne tardèrent pas à établir qu’une même substance, telle que le carbonate de chaux, pouvait exister avec une composition identique et plusieurs formes cristallines différentes.

Les recherches poursuivies sur le gaz de l'huile et le gaz oléfiant,qui offrent lamême compositioncentésimale,sur les deux oxydes d’étain, sur les diverses variétés d’acide phosphorique, sur les acides fulminique, cyanique et cyanurique, donnèrent lieu à des controverses prolongées. Leur interprétation était encore douteuse quand Berzélius reconnut que l’acide tartrique

et l’acide racémique possèdent exactement la même composition, le même équivalent et la même capacité de saturation.

Il proposa en 18311e nom A'isomérie pour exprimer ces phénomènes : les corps isomères sont ceux qui possèdent la même composition et le même équivalent, par opposition aux corps polymères dont l’équivalence est multiple. L’isomérie elle-même résulte de l’arrangement différent des parties. Et quand cet arrangement porte sur les éléments chimiques d’un composé, il a reçu le nom de métamérie. Mais ces notions, faciles à concevoir pour les corps composés, sont plus obscures pour les corps simples. Aussi Berzélius créa-t-il un nom spécial pour i’isomérie dans les corps simples : le nom d 'allotropie.

La notion de l’allotropie des corps simples a attiré particulièrement l’attention des chimistes. Elle amène naturellement l’esprit à soulever le problème de l'unité de la matière.

Les anciennes observations de Lavoisier et de Davy sur le diamant et le charbon, interprétées sous le nouveau point de vue, ont fourni l’un des premiers exemples d’allotropie, développé encore par l’étude des graphites.

On y a joint sucfcessivement l’étude du soufre, sous différentes formes cristallines incompatibles et même à l’état amorphe, l’étude des états multiples du phosphore, de l’arsenic, du sélénium, du tellure, dit bore, du silicium, etc., et celle plus remarquable encore de l’ozone, état isomérique gazeux de l’oxygène, Enfin, les métaux mêmes ont présenté des phénomènes analogues.

Ainsi se sont multipliés les exemples de ce fait singulier: un corps simple peut se présenter sous plusieurs états offrant des propriétés physiques et chimiques si différentes qu’on devrait les considérer comme des éléments différents, si chacun d’eux

ne possédait pas un même caractère chimique fondamental, à savoir la faculté de former à poids égal un composé identique, par exemple le même poids d’acide carbonique pour un même poids des diverses variétés de carbone, le même poids d’acide phosphorique pour'un même poids des variétés de phosphore, etc.

Examinons maintenant quelques-uns des caractères généraux que l’expérience manifeste dans les états allotropiques des corps simples.

Tout d’abord se présente une question fondamentale.

L’allotropie d’un corps simple est-elle d’ordre physique ou bien d’ordre chimique ?

Peut-elle résister à la combinaison, de telle sorte que deux états allotropiques fourniraient deux séries de composés distincts, tant qu’on ne les soumettrait pas à des réactions suffisamment énergiques pour les ramener à un état identique. La question est d’autant plus légitime qu’il existe des corps simples reconnus de tous, tels que le nickel et le cobalt, doués d’un poids équivalent identique, mais distincts jusqu’ici dans toutes leurs combinaisons. On se trouverait alors en présence de cas qui approcheraient singulièrement de la transmutation des éléments.

Berzélius pensait qu’une diversité semblable, quoique moins profonde, existait pour les états allotropiques d’un même élément; il citait de nombreux exemples à l’appui de son opinion. Selon lui, il y aurait deux séries parallèles de sulfures de phosphore, l’une dans laquelle ce corps existerait à l’état de phosphore blanc, l’autre dans laquelle il existerait à l’état de phosphore rouge.

C'est lit un point qui est resté controversé pour le phosphore, l’existence de deux séries parallèles n’étant pas démontrée pour cet élément. Mais l’allotropie peut répondre à des fonctions diffé-

rentes, comme M. Berthelot l’avait pensé autrefois pour le soufre.

La démonstration de ce genre d’hypothèses est très difficile, car il faudrait pouvoir préparer des corps composés différents par synthèse en partant des diverses variétés des corps simples, et inversement régénérer ces variétés au moyen de composés correspondants.

On doit faire ressortir, dans cet ordre de considérations, les faits capitaux découverts par MM. Brodie et Berthelot sur les graphites et les composés qui en dérivent.

Les graphites, en effet, soumis à l’action d’un agent oxydant, donnent des oxydes graphitiques spéciaux pour chaque variété de graphite et que les autres composés du carbone ne fournissent pas. Chacun de ces oxydes graphitiques produit des dérivés spéciaux, qui le régénèrent, et ce n’est que par une oxydation beaucoup plus profonde qu'on les ramène tous'à l’état d’acide carbonique.

Quelle est la cause de l’isomérie des corps simples ?

Résulte-t-elle, commé c’est souvent le cas pour les corps composés, de groupements différents des molécules, c’est-à-dire ici de la combinaison des molécules avec elles-mêmes, ou, si l’on préfère, de l inégale condensation d’une môme substancè ? Sans discuter pour le moment les formules hypothétiques de ces condensations,il est certain que cette explication paraît s’imposer pour le cas de l’ozone, gaz isomérique avec l’oxygène, mais une fois et demie aussicondensé.Elleestégalementtrèsvraisemblablepour le carbone, d’après les recherches de M. Berthelot sur la génération des divers états de ce corps simple, par les condensations et décompositions progressives des carbures d’hydrogène. Les états du soufre et des métaux rentrent peut-être dans ce cas.

Les variétés allotropiques des éléments n'offrent pas seulement des poids moléculaires différents, mais encore des quantités d’énergie différentes sous le même poids.

En effet, les mesures thermiques montrent qu’il y a dégagement ou absorption de chaleur dans le passage cj’un état isomériqueà un autre, et que les divers états d’un même corps possèdent des chaleurs de combustion différentes.

Par exemple, la combustion de 12 gr. de carbone à l’état de diamant dégage 94 c 3 ; tandis que celle de 12 gr. de carbone à l’état de charbon dégage gy c 6 en produisant le même poids d’acide carbonique. Ce qui répond à une différence d’énergie de 3 C 3 .

Ces contrastes thermiques, qui sont liés à la quantité d’énergie que contiennent les corps, nous rendent compte dans une certaine mesure de leurs affinités inégales. Ils nous montrent pourquoi l’activité chimique des uns est exaltée, tandis que celle des autres est comme amortie. Je n’insiste pas sur les différences de chaleur spécifique, dont la signification est plus incertaine, à cause des variations de cette propriété pour un même corps suivant la température.

Quant aux différences qui tiennent aux propriétés extérieures des corps, comme leur couleur ou leur odeur, et même les formes cristallines qu’ils affectent, elles paraissent moins importantes, et insuffisantes pour permettre à elles seules de conclure à des différences chimiques de structure moléculaire, c’est-à-dire à de véritables variétés allotropiques.

Ces notions générales étant établies, nous allons passer en revue les divers cas d’allotropie connus, soit parmi les métalloïdes, soit parmi les métaux.