Métalloïde

Le terme métalloïde faisait initialement référence aux non-métaux. Au milieu du XX^e siècle sa signification a évolué vers son sens actuel. Les métalloïdes sont parfois aussi confondus avec les semimétaux, qui sont cependant une classe de matériaux différente : le bore et le silicium sont ainsi des métalloïdes mais pas des semimétaux, tandis que l'étain et le bismuth sont des semimétaux mais pas des métalloïdes.

Le tableau ci-dessous résume quelques propriétés physiques des métalloïdes. L'astate n'ayant jamais pu être observé en grandes quantités, ses données macroscopiques sont mal connues, et certaines sont déduites de simulations numériques. Sa masse volumique à température ambiante résulte ainsi de modèles de calcul[1], et la donnée figurant dans la colonne rayon atomique est relative à son rayon de covalence.

Élément	Masse atomique	Température de fusion	Température d'ébullition	Masse volumique	Rayon atomique	Configuration électronique[2]	Énergie d'ionisation	Électronégativité (Pauling)
Bore	10,813 5 u	2 076 °C	3 927 °C	2,08 g·cm-3	90 pm	[He] 2s2 2p1	800,6 kJ·mol-1	2,04
Silicium	28,085(1) u	1 414 °C	3 265 °C	2,329 g·cm-3	111 pm	[Ne] 3s2 3p2	786,5 kJ·mol-1	1,90
Germanium	72,630(8) u	938 °C	2 833 °C	5,323 g·cm-3	122 pm	[Ar] 4s2 3d10 4p2	762 kJ·mol-1	2,01
Arsenic	74,921 595 u	615 °C		5,727 g·cm-3	119 pm	[Ar] 4s2 3d10 4p3	947,0 kJ·mol-1	2.18
Antimoine	121,760(1) u	630,63 °C	1 635 °C	6,697 g·cm-3	140 pm	[Kr] 5s2 4d10 5p3	834 kJ·mol-1	2,05
Tellure	127,60(3) u	449,51 °C	988 °C	6,24 g·cm-3	140 pm	[Kr] 5s2 4d10 5p4	869,3 kJ·mol-1	2,1
Astate	[210]	302 °C	337 °C	6,35 g·cm-3	150 pm	[Xe] 6s2 4f14 5d10 6p5	899 kJ·mol-1	2,2

Dès les débuts de la chimie et jusqu'en 1964, les corps simples sont classés en métaux et métalloïdes. Le terme de métalloïdes désignait à cette époque ce que nous appelons aujourd'hui les non-métaux[3] - [4] - [5]. Les métaux se reconnaissaient alors à des critères physiques (dureté, éclat métallique, conduction de l'électricité...) et des critères chimiques (production d'au moins un oxyde basique...). Les éléments qui n'ont pas ces caractéristiques étaient les métalloïdes[5] - [6].

Cette classification était cependant discutée : le plomb qui n'a pourtant pas d'éclat métallique est bien un métal, tandis que l'étain qui le possède est aussi un métal. D'autres cas étaient ambigus, tel le carbone : sa variété graphite n'est pas dure mais conduit l'électricité ; sa variété diamant est dure mais ne conduit pas l'électricité.

À partir des années 1960, le critère retenu devint celui de la nature des liaisons mises en jeu : métalliques pour les métaux, covalentes pour les métalloïdes. On nommait alors, à cette époque, métaux les éléments chimiques dont le nombre d'électrons dans la bande de valence (électrons les plus externes) est compris entre 1 et 3, et métalloïdes ceux dont ce nombre est compris entre 4 et 7 électrons. Les métaux occupaient ainsi la partie gauche du tableau de Mendeleïev, et les métalloïdes la partie droite à partir de la 13^e colonne. Il s'agissait des groupes du fluor (colonne VIIB), de l'oxygène (colonne VIB), de l'azote (colonne VB), du carbone (IVB) et du bore (colonne IIIB)[7]. L'hydrogène est un cas à part : considéré dès sa découverte comme un métalloïde (comme tous les éléments gazeux dans les conditions normales), il présente à l'état solide toutes les caractéristiques d'un métal. C'est l'hydrogène métallique.

Jusqu'en 1964, les programmes d'enseignement de la chimie en France se limitaient à l'étude des métalloïdes[3] - [8] - [5] - [9]. Pour les classes préparatoires aux grandes écoles, les éléments étudiés étaient : l'hydrogène, l'oxygène, l'azote, les halogènes, le soufre, le phosphore, l'arsenic, le carbone, le silicium et le bore. Les manuels de chimie se déclinaient alors en chimie générale et chimie des métalloïdes[8] - [9] - [10] - [5].

Il fallut attendre 1965, pour que ces programmes introduisent l'étude des métaux (principalement le fer) et quelques produits organiques[11]. À cette époque le terme de « métalloïde » tomba en désuétude et fut remplacé par « non-métaux »[7]. Parallèlement les livres de chimie se déclinent en chimie générale, chimie minérale et chimie organique[12].

Le concept de métalloïde se rapporte à un élément chimique qui ne peut être classé ni dans les métaux ni parmi les non-métaux[13], c'est-à-dire dont les propriétés physiques et chimiques sont intermédiaires entre celles d'un métal et d'un non-métal.

Il convient de remarquer qu'il n'existe aucune définition standard précise de « métalloïde » et qu'il n'y a pas de consensus sur les éléments qu'il convient de classer dans cette famille. Il n'est pas mentionné dans le Gold Book de l'IUPAC qui reconnaît en revanche les termes métal et non-métal. Par ailleurs, certains livres de chimie inorganique, actuels[14], voire un peu anciens[15], n'utilisent pas ce terme, alors que d'autres en font usage [16].

Les métalloïdes sont caractérisés par les propriétés suivantes :

• leurs oxydes sont généralement amphotères (ceux des métaux sont plutôt basiques et ceux des non-métaux plutôt acides) ;
• ils se comportent comme des semiconducteurs (notamment le bore, le silicium et le germanium).

Les métalloïdes forment donc une bande oblique dans le tableau périodique entre les métaux et les non-métaux :

• Bore ₅B
• Silicium ₁₄Si
• Germanium ₃₂Ge
• Arsenic ₃₃As
• Antimoine ₅₁Sb
• Tellure ₅₂Te
• Astate ₈₅At

Il convient de distinguer les termes métalloïde, semi-métal et semiconducteur, car un métalloïde désigne un groupe d'éléments chimiques tandis que les termes semi-métal et semiconducteur caractérisent des matériaux, y compris des alliages métalliques ou des matériaux organiques.

Certains éléments adjacents à la famille des métalloïdes peuvent avoir des variétés allotropiques qui présentent des comportements métalloïdes : c'est le cas du carbone graphite (alors que le diamant est clairement non-métallique), ainsi que du phosphore, de l'étain et du bismuth.

Il existe un nombre pair d'électrons par cellule unité, de sorte que les bandes de valence devraient être occupées, et les bandes de conduction vacantes, ce qui conduirait à un semi-conducteur. Cependant, dans un semi-métal, la bande de valence et la bande de conduction se recouvrent partiellement. Il en résulte que certains états les plus hauts de la bande de valence sont vacants, et certains états les plus bas de la bande de conduction sont partiellement occupés. Un semi-métal est donc un conducteur dans lequel les porteurs de charge sont soit des trous dans la bande de valence soit des électrons dans la bande de conduction. Il est possible en appliquant une pression de modifier la structure de bande d'un matériau pour produire une transition semi-conducteur → semi-métal.

Certains comme l'arsenic sont hautement toxiques, mais tout en étant aussi oligoélément à très faible dose.
Seuls ou en combinaisons plus ou moins synergiques – les métalloïdes en tant que contaminants de l'eau, de l'air et des sols sont soupçonnés de causer des morts et fausse-couches, et à plus faible dose des prématurité, malformations congénitales, diminution du poids du nouveau-né à la naissance ; d’être source de troubles du développement et de la santé future de l’enfant et du futur adulte (troubles de la fertilité et de la santé reproductive, problèmes psychomoteurs, intellectuels et du métabolisme ainsi que d’augmenter le risque de développer certains cancers… ce qui en fait un sujet de santé publique et de recherche, car certains liens de cause à effet sont encore à préciser ou à confirmer[17].

Enfants et femmes enceintes y sont a priori plus vulnérables.
En France le programme national de biosurveillance contient un « Volet périnatal » qui comprend notamment un travail de collecte des données et d’études de l’imprégnation des femmes enceintes en 2011 (à partir du suivi de 4 145 femmes enceintes de la « Cohorte Elfe », ayant accouché en France en 2011 (hors Corse et TOM)) par 13 métaux et métalloïdes jugés prioritaires que sont l’antimoine, l’arsenic, le cadmium, le césium, le chrome, le cobalt, l’étain, le mercure, le nickel, le plomb, l’uranium, le vanadium)[17]. L’aluminium est aussi source d’interrogations toxicologiques mais en raison de son caractère ubiquitaire, il a été jugé source trop fréquente de contamination des échantillons et donc retiré du cadre du volet périnatal du programme national de surveillance[17]. Ce travail sur la contamination des femmes enceintes est basé sur l’étude de sang de cordon, urines, cheveux et sérum). Il complète un autre volet du programme ayant précédemment (2016) porté sur les polluants organique (bisphénol A, phtalates, pesticides et polluants organiques persistants tels que dioxines, furanes, PCB, retardateurs de flamme et composés perfluorés)[18], lesquels peuvent parfois agir synergiquement pour développer d’autres formes de toxicité avec les métaux et métalloïdes[17].
C’est la première étude de ce type faite en France. Elle apporte (pour la France continentale uniquement) des indicateurs (nationaux) d’imprégnation des femmes enceintes par les métaux et métalloïdes. Elles permettent des comparaisons avec d’autres études (antérieures ou postérieures) dans le monde, qui montrent les tendances en termes d’imprégnation aux métaux et métalloïde de la mère, du fœtus ou bébé (via l’allaitement notamment) en période périnatale [17]. D’autres études ont porté sur le méconium. Ces études contribuent aussi à identifier les déterminants qui amènent certains niveaux d’imprégnation[17].

• Charles Kittel (trad. Nathalie Bardou, Évelyne Kolb), Physique de l’état solide [« Solid state physics »], 1998 [détail des éditions]
• W.R. Datars et J. Vanderkooy IBM J. Res. Dev. 8, 247 (1964)

• « UICPA »^{(Archive.org • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?)} (consulté le 28 août 2017) : Page de liens vers le tableau périodique
• UICPA : Tableau périodique officiel du 22/06/2007