L'expansion de certaines substances lors de la congélation est un comportement anormal qui se produit en raison d'arrangements atomiques spécifiques et de caractéristiques de liaison. Contrairement à la plupart des matériaux qui se contractent lorsqu’ils se solidifient, le gallium, le silicium et le bismuth présentent une expansion de volume lorsqu’ils passent de l’état liquide à l’état solide. Voici les raisons de leur expansion sur le gel :

Gallium :

Le gallium subit une transition de phase unique lors de la solidification. Il se transforme d'une structure cubique à faces centrées (fcc) à haute température en une structure orthorhombique à basse température. Ce changement implique un réarrangement des atomes d’une manière qui aboutit à un arrangement plus lâche à l’état solide qu’à l’état liquide. Cette augmentation de l’espacement atomique provoque l’expansion du gallium lorsqu’il gèle.

Silicium :

Le silicium subit également une transition de phase lors de la congélation, semblable au gallium. Le silicium liquide à haute température a une structure cubique en diamant, tandis que la forme solide adopte une structure cubique à faces centrées (fcc). Ce changement dans les arrangements atomiques crée une structure solide moins dense que le liquide, conduisant à une expansion lors de la congélation.

Bismuth :

L'expansion du bismuth lors de la congélation est attribuée à un phénomène appelé « cristallisation avec changement de numéro de coordination ». À l’état liquide, les atomes de bismuth sont disposés de manière plus compacte, chaque atome formant trois liaisons covalentes avec les atomes voisins. Lors de la congélation, le bismuth se transforme en une structure cristalline rhomboédrique où chaque atome forme cinq liaisons covalentes. Cette augmentation du nombre de coordination nécessite plus d'espace, ce qui entraîne l'expansion du bismuth lorsqu'il gèle.

Ces comportements d'expansion anormaux du gallium, du silicium et du bismuth ont des implications importantes dans diverses applications. Par exemple, l'expansion du gallium lors de la congélation le rend utile comme agent d'étanchéité dans les applications à haute température, telles que les vannes et les pompes, où une étanchéité parfaite est requise même à haute température. De même, l'expansion du silicium pendant la solidification est utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs pour créer des modifications induites par la contrainte dans les propriétés électroniques des dispositifs en silicium.

Il convient de noter que si le gallium, le silicium et le bismuth sont des exemples notables de substances qui se dilatent lors de la congélation, ils ne sont pas les seuls. Quelques autres éléments et composés, comme l’eau et l’antimoine, présentent également ce comportement inhabituel. Comprendre ces propriétés exceptionnelles est crucial dans divers domaines de la science et de l’ingénierie, notamment la science des matériaux, la chimie et la métallurgie.