L'oxygène solide désigne le dioxygène refroidi en dessous de son point de congélation, soit () à pression atmosphérique. Comme l'oxygène liquide, il est d'apparence claire avec une légère teinte bleutée due à l'absorption de la lumière rouge (et non à la diffusion Rayleigh donnant la couleur bleue de l'atmosphère). Les molécules de dioxygène sont particulièrement étudiées car elles comptent parmi les rares molécules dotées d'un moment magnétique et qu'elles en sont la plus simple représentation, étant diatomiques. Il en résulte que la structure cristalline de l'oxygène solide serait déterminée par le spin des molécules de dioxygène à travers leur moment magnétique. À très haute pression, supérieure à soit vers un million de bars, l'oxygène solide cesse d'être isolant pour devenir métallique et devient même supraconducteur aux très basses températures.
Transitions de phase vignette|upright=2|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 :
phase α bleu clair à pression atmosphérique et à moins de à cristaux monocliniques ; phase β bleu pâle, à pression atmosphérique et moins de à cristaux rhomboédriques (débute la conversion en tétraoxygène ) à pression atmosphérique et température élevée) ; phase γ rose à pression atmosphérique et moins de à cristaux cubiques ; phase δ orange à température ambiante sous une pression d'environ ; phase ε rouge à noire, à température ambiante et pression supérieure à ; phase ζ métallique sous une pression supérieure à .
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 et en phase ε rouge à ; 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 vers la phase ζ métallique.
Structure de l'oxygène rouge La transition de phase à s'accompagne d'une nette diminution de volume et d'un changement de couleur de l' au rouge profond. 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 disposées dans un réseau cristallin. Il est apparu néanmoins en 2006 par diffractométrie de rayons X que cette phase ε est en fait constituée de molécules d'octaoxygène . Cette structure n'avait pas été prédite, s'agissant d'un groupe rhomboédrique de quatre molécules de dioxygène :
Modèle d'une molécule comme complexe . Arrangement cristallin dela phase ε (oxygène rouge).
Les dimensions des complexes à sont de : pour les liaisons O=O des molécules de dioxygène ; pour les liaisons – dans les tétramères ; entre tétramères .
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. 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 dans de grands complexes.
Oxygène métallique La phase ζ d'oxygène métallique apparaît au-delà de par compression de la phase ε d'oxygène rouge. Elle a été découverte en 1990 sous une pression de . Elle présente un éclat métallique et devient supraconductrice à basse température.
Notes et références
Voir aussi Hélium solide Azote solide
Catégorie:Oxygène Catégorie:Cryogénie