Performances des matériaux et leur structure (Liaisons chimiques)

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1 Performances des matériaux et leur structure (Liaisons chimiques) Dr Emmanuelle Boehm-Courjault Dr Amor Guidoum Laboratoire de Matériaux de Construction

2 1.1 Propriétés des matériaux et leur structure Performances Microstructures Science et génie des matériaux : Procédés Structure Propriétés Fonctions

3 Exemple : Oxyde d aluminium Al 2 O 3 1. Crystal simple (alumine) transparent 2. Polycristal très dense (non poreux) translucide 3. Polycristal (porosité 5%) opaque

4 1.3 La classification des matériaux Les matériaux peuvent être classés selon : leur composition chimique leur structure atomique (arrangement des atomes) leurs propriétés

5 Les propriétés des matériaux Les propriétés mécaniques qui reflètent le comportement des matériaux déformés par des forces Les propriétés physiques qui mesurent le comportement des matériaux soumis à l action de la température, des champs électriques ou magnétiques ou de lumière. Les propriétés chimiques qui caractérisent le comportement des matériaux dans un environnement réactif

6 1.2 Abondance des matériaux et la composition de la croûte terrestre

7 1.3 La classification des matériaux (selon leur structure) Semi conducteurs Métaux et alliages Liaisons métalliques Biomatériaux Composites Polymères (plastiques) Liaisons covalentes Liaisons faibles (Van der Waals, Liaison Hydrogène) Fibres de carbone + époxydes Fibres de verre + polyesters Céramiques Liaisons fortes (covalente + ionique)

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10 Energie potentielle Répulsion (+) Répulsion (+) Force Attraction (-) 1.4 Cohésion du matériau et liaisons Force attractive 0 r Force et énergie de liaison A B FA ; FB ; 0 a b a b r r liaison inonique : a 2 ; 7 b 10 Force répulsive E E E F dr F dr P A B A B A l'équilibre : E ( r ) E E 0 P r 0 0 : Energie de liaison ou de cohésion r Attraction (-) 0 r 0 E 0 Distance interatomique

11 Energie potentielle Répulsion (+) Répulsion (+) Force Attraction (-) 1.4 Cohésion du matériau et liaisons Force attractive 0 r Force et énergie de liaison Bons nombre de propriétés dépendent de : Force répulsive E0 La forme de la courbe du type de liaison Exemples : Etat solide, liquide et gazeux Rigidité mécanique (pentes à ro ) Expansion thermique (profondeur du puits ) Attraction (-) 0 r 0 E 0 Distance interatomique

12 1.4.2 Types de liaison Deux types de liaisons : liaison primaire ou chimique (forte): seulement les couches d électrons externes de l atome sont impliquées. La condition couche vide/pleine est remplie (ionique, covalente, métallique) liaison secondaire ou physique (faible) : plus faible que les liaisons primaires, influence les propriétés physiques du matériau (Van der Waals, hydrogène), Energies entre 4 et 40 kj/mol

13 1.4.3 Liaison ionique (électrons volés) Cl - e - - Na La victime : Na ; Le voleur : Cl Cl - Na liaison forte dans le solide, kj/mole Liaison plus faible dans l eau, 41 kj/mole

14 1.4.3 Liaison ionique (électrons volés) Isotrope ou non orientée ou non directionnelle (champ d attraction sphérique) Prédominante dans les céramiques Halogénures alcalins (NaCl, KCl,...), Alcalino-terreux (MgCl2, CaCl2, BaCl2, ) Majorité des oxydes (céramiques) MgO, CaO,

15 1.4.4 Liaison covalente liaison forte ( kJ/mole) partage de 1 ou plusieurs paires électrons pour compléter leur couche électronique extérieure à 8 électron Ex. molécules d éléments non métallique :O 2, N 2, CH 4, diamant Molécules avec atomes dissimilaires: CH 4, H 2 O, HNO 3, SiO 2 H orientée ou directionnelle H C H H

16 1.4.5 Liaison métallique Energie de liaison : 70 à 850 kj/mole Les électrons périphériques ne sont plus attachés à un atome Ils sont délocalisés dans le solide sous forme de nuage qui assure la cohésion Illustration schématique de liaison métallique Caractère isotrope

17 1.4.6 Liaisons secondaires Liaison van der Waals Proviennent des dipôles atomiques ou moléculaires Existe entre tous les atomes, mais non significative en présence de liaisons primaires Liaison faible 8-31 kj/mole Prédomine dans les gaz rares Dans les structures moléculaires liées par covalence Liaison d hydrogène Cas spécifique de van der Waals Dans les molécules où H est lié par covalence H2O, NH3(azote), HF Faible : 50 kj/mole

18 1.4.7 Liaison mixte ou hybride : le cas du carbone et du graphite Graphite Diamant

19 Caractère mixte ou hybride des liaisons atomiques Diamant, Si, Ge Covalente Van der Waals H 2 O, N 2, Cl 2 SiO 2 mica Ionique Fe, Ni, Co Métallique Cu, Na, Ag NaCl, MgO, Al 2 O 3

20 Energies de liaisons et températures de fusion de diverses substances

21 Résumé Les propriétés chimiques des éléments ne sont fonctions que leurs électrons périphériques (de valence) Les liaisons chimiques sont essentiellement de nature électrostatiques : ioniques, covalente et métallique La liaison ionique a un caractère isotrope par transferts d électrons La liaison covalente : partage d électrons de valence, caractère orienté La liaison métallique : isotrope, nuage d électrons qui assurent la liaison entre les ions métalliques. La nature des liaisons détermine en grande partie les propriétés des phases condensées (solide ou liquide) : ductilité des métaux, fragilité des céramiques, transparence, conductivité, comportements des polymère, etc..

22 Testez vos connaissances! (1) La classification des matériaux est basée sur : A) l abondance relative des éléments B) la structure à l échelle atomique C) le type de défaut existant dans les matériaux La liaison ionique est formée par le partage des électrons de 2 atomes A) Vrai B) Faux La nature ionique des liaisons les rend A) non-directionnelles B) Faibles La liaison entre les atomes dans la molécule d hydrogène est appelée la «liaison hydrogène» A) Vrai B) Faux

23 Testez vos connaissances! (2) La température de fusion élevée résulte de : A) force de liaison faible B) force de liaison forte C) conductivité électrique forte D) la présence des liaisons secondaires Dans le graphique ci-contre la liaison est : A) ionique B) covalent C) van der Waals D) métallique O -- Mg ++ Le graphite est un bon lubrifiant car: A) les feuillets d atome sont liées ensemble par des liaisons covalentes B) les atomes dans les feuillets sont liés ensemble par des liaisons covalentes C) Les feuillets sont liés les uns aux autres par des liaisons de van der Waals

24 Liaisons et propriétés e : elevé, m: moyen, f : faible Liaison Exemple Nature de la liaison Temp. de fusion Dilatation Thermique Rigidité (E) Conduct. Électrique Ductilité Coval. Diamant Ionique NaCl Méttal. Cu,Na, V.Walls H2,Cl2, CH4

25 1.5 Structure et organisation des solides Matériaux cristallins, Matériaux amorphes Monocristal lacunes Cristal idéal : L arrangement régulier s étend à l infini. Défauts auto-interstitiels Cristal réel : arrangement régulier et périodique + défauts

26 1.5.1 Exemple : Silicium Poudre de silicium Diamant de silicium Monocristal de silicium Polycristal de silicium

27 Les réseaux cristallins Les quatorze réseaux spatiaux de Bravais : quatorze façons de distribuer périodiquement des points dans l espace Ces réseaux sont répartis en sept systèmes cristallins qui diffèrent entre eux par leurs éléments de symétrie.

28 1.5.2 Matériaux polycristallins Cristallite (grain) Joint de grain Section d un lingot de plomb polycristallin très pur

29 1.5.2 Matériaux polycristallins (a), (b), (c) Schémas des diverses étapes de la solidification d un matériau polycristallin (d) Représentation de la structure granulaire Les ligne sombres sont Les joints de grains

30 1.5.3 Matériaux amorphes Structure amorphe : dense et peu structurée Similaire à celle des liquides Certaine périodicité à petite distance (par rapport au rayon atomique) Schémas bidimensionnel : (a) SiO2 cristallin, (b) SiO2 amorphe

31 1.5.3 Matériaux amorphes Structure du verre de silicate de sodium (ordinaire)

32 Résumé Structure cristalline : Distribution périodique des atomes ordonnées à grande distance (ordre à longue distance par rapport au rayon atomique) Matériaux métalliques, grand nombre de céramiques, polymères semi-cristallins. Détermination : par les phénomènes de diffractions (Diffraction X (Bragg), électrons, neutrons) Structure amorphe : dense et peu structurée Similaire à celle des liquides Certaine périodicité à petite distance (qq diamètres atomiques, ordre à courte distance) Verres minéraux, verres métalliques, polymères

33 Testez vos connaissances! (3) Un solide dans lequel les atomes similaires sont dans des positions similaires par rapport à leur voisinage est un solide A) polycristallin B) amorphe C)monocristallin Un matériau cristallin contient toujours: A) des cristaux de différentes compositions chimiques B) des cristallites de même composition mais avec des structures différentes C) Des cristallites avec différentes orientations Lorsqu on parle d un solide avec un ordre à longue distance, c est en comparaison avec la taille : A) d un électron B) d un atome C) d une cristallite

34 1.6 Céramiques Keramikos (substances brûlées) Matériaux inorganiques combinaison d éléments métalliques(mg, Fe, Al, ) et non métalliques (souvent oxygène) (oxydes métalliques), Réfractaire, grande dureté, grande inertie chimique, Faible conductivités thermique, électrique, Semi conductivité Supraconductivité Fragilité, faible résistance au choc thermique Silicates Verres minéraux Béton de ciment Céramiques techniques à haute résistance mécanique et thermique

35 1.6 Cristaux ioniques (céramiques) La valence( nombre de charge) Le caractère ionique joue un rôle important (électronégativité) La taille relative des ions Rc/Ra

36 1.6 céramiques, cristaux ioniques Chlorure de Sodium NaCl CFC Chlorure de césium CsCl Cubique simple Pérovskite Titanate de baryum BaTiO3 CFC Sulfure de zinc (blende) ZnS CFC Fluorine CaF2 Cubique simple

37 1.6 céramiques de silicates Cristobalite, SiO2 Schémas 2D: (a) SiO2 cristallin, (b) SiO2 amorphe Verre ordinaire, amorphe

38 1.6 céramique, carbone Graphène, C62H20 A.Geim & K. Novoselov Nobel physique (2010) Graphite Diamant Fullerène, C60

39 1.7 Métaux et alliages Structure cristalline Grande ductilité Grande ténacité Opacité et éclat métallique Bonne conductivités thermique, électrique, Cubique à faces centrées CFC, 0.74 (compacité) Cubique centrée CC, 0.68 Hexagonale compacte HC, 0.74

40 1.8 Polymères Très grosses molécules (plusieurs centaine de milliers d atomes) Des chaînes Composés organiques basés sur carbone, hydrogène et d autres éléments non métalliques Thermoplastiques (linéaires), molécules de taille limitée Réticulés (3D), une seule macro-molécule (thermodurcis, élastomères)

41 1.9 Matériaux composites 2 ou 3 types de matériaux peuvent être combinés pour former des composites avec les meilleures caractéristiques de chaque composant: résine époxyde renforcée de fibre de verre composite léger à haute résistance, béton