Par John Brennan
Mis à jour le 24 mars 2022
Le tungstène (numéro atomique 74) est un métal gris dense réputé pour son point de fusion exceptionnellement élevé et ses excellentes propriétés mécaniques. Bien que son rôle le plus connu soit celui des filaments d’ampoules à incandescence, son importance industrielle découle en grande partie de la production de carbure de tungstène et de son utilisation dans des alliages à haute température. Au cœur de ces applications se trouve la nature des liaisons qui maintiennent les atomes de tungstène ensemble.
Dans son état fondamental isolé, un atome de tungstène a la configuration électronique [Xe]4f 14 5d 4 6s 2 . Cependant, lorsque les atomes se regroupent dans un réseau cristallin, les niveaux d’énergie changent :la sous-couche 5d devient entièrement occupée (cinq électrons) tandis que la sous-couche 6s ne contient qu’un seul électron. Les électrons 5d sont capables de former des interactions directionnelles de type covalent qui sont relativement localisées entre les atomes voisins, tandis que les électrons 6s se délocalisent à travers le réseau.
À l’état solide, les électrons 6s délocalisés se comportent comme une « mer » de charge mobile qui imprègne le métal. Ce gaz électronique lie les noyaux de tungstène chargés positivement ensemble, donnant au matériau sa liaison métallique caractéristique. Le chevauchement de nombreuses orbitales atomiques crée une bande dense de niveaux d'énergie que les électrons peuvent occuper, ce qui explique la conductivité électrique élevée du tungstène et sa résistance à la déformation.
Le tungstène cristallise dans plusieurs allotropes :le plus courant est la phase alpha cubique centrée sur le corps, qui est la plus stable thermodynamiquement. Une phase bêta à haute température existe également; lors du refroidissement, la structure bêta se transforme en alpha. La liaison métallique, combinée à un regroupement serré d'atomes, donne un métal à la fois malléable et ductile, caractéristiques typiques des métaux où les atomes ne sont pas enfermés dans un réseau rigide comme le diamant.
Lorsque le tungstène réagit avec des éléments ou des ligands non métalliques, il forme des complexes de coordination et des composés covalents. La nature électronique partagée de ces liaisons contraste avec la liaison métallique du métal élémentaire. Les états d’oxydation du tungstène dans ces composés vont de –2 à +6, reflétant la diversité de sa chimie. À des températures élevées, le tungstène s’oxyde facilement; c'est pourquoi les ampoules à incandescence sont remplies de gaz inertes, pour éviter la dégradation du filament.