Oxygène solide

Diagramme de phase de l’oxygène solide.

La structure de l'oxygène solide est étudiée depuis les années 1920 et six phases cristallines sont à présent décrites de façon certaine[1] - [5] :

1. phase α bleu clair à pression atmosphérique et à moins de −249,35 °C à cristaux monocliniques ;
2. phase β bleu pâle, à pression atmosphérique et moins de −229,35 °C à cristaux rhomboédriques (débute la conversion en tétraoxygène O₄) à pression atmosphérique et température élevée) ;
3. phase γ rose à pression atmosphérique et moins de −218,79 °C à cristaux cubiques ;
4. phase δ orange à température ambiante sous une pression d'environ 9 GPa ;
5. phase ε rouge à noire, à température ambiante et pression supérieure à 10 GPa ;
6. phase ζ métallique sous une pression supérieure à 96 GPa.

L'oxygène commence par se solidifier à pression atmosphérique sous une phase dite « β » à cristaux rhomboédriques, puis, en augmentant la pression, connaît une transition en phase δ orange à 9 GPa et en phase ε rouge à 10 GPa ; la couleur rouge s'assombrit au fur et à mesure qu'on augmente la pression, jusqu'à devenir noire. En poursuivant la compression de la phase ε, une transition s'opère vers 96 GPa vers la phase ζ métallique[5].

La transition de phase à 10 GPa s'accompagne d'une nette diminution de volume[6] et d'un changement de couleur de l'orange bleuté au rouge profond[7]. Cette phase ε a été découverte en 1979 mais sa structure est demeurée obscure. À partir de son spectre d'absorption infrarouge, on a émis l'hypothèse en 1999 qu'il pouvait s'agir de molécules de tétraoxygène O₄ disposées dans un réseau cristallin[8]. Il est apparu néanmoins en 2006 par diffractométrie de rayons X que cette phase ε est en fait constituée de molécules d'octaoxygène O₈[9] - [10]. Cette structure n'avait pas été prédite[5], s'agissant d'un groupe O₈ rhomboédrique[11] de quatre molécules de dioxygène O₂ :

Modèle d'une molécule O8 comme complexe (O2)4.	Arrangement cristallin de la phase ε (oxygène rouge).

Les dimensions des complexes O₈ à 11 GPa sont de[5] :

• 120 pm pour les liaisons O=O des molécules de dioxygène O₂ ;
• 234 pm pour les liaisons O₂–O₂ dans les tétramères (O₂)₄ ;
• 266 pm entre tétramères (O₂)₄.

L'oxygène rouge est une phase assez inhabituelle, en ce qu'elle a une couleur rouge très prononcée, une très forte absorption infrarouge et que ses propriétés magnétiques changent radicalement[1]. Les études par diffractométrie de rayons X et spectrométrie ont révélé une symétrie monoclinique C2/m, tandis que sa forte absorption dans l'infrarouge a été attribuée à l'association des molécules de dioxygène O₂ dans de grands complexes.

La phase ζ d'oxygène métallique apparaît au-delà de 96 GPa par compression de la phase ε d'oxygène rouge[6]. Elle a été découverte en 1990 sous une pression de 132 GPa[3]. Elle présente un éclat métallique[12] et devient supraconductrice à basse température[4] - [5].

• Hélium solide
• Azote solide