cristallographie Rubis : Al2O3 avec inclusions de Cr Saphir étoilé (Al2O3 avec inclusions de rutile) Cristaux de neige Monocristal de silicium

Transcription

1 cristallographie Rubis : Al2O3 avec inclusions de Cr Saphir étoilé (Al2O3 avec inclusions de rutile) Cristaux de neige Monocristal de silicium Diamant (C) Émeraude (Si6O18)Al2Be3

2 Différents types de solides Solide amorphe : aucun ordre particulier ex : verre (SiO2) Solide cristallin réel : ordonné sur de vastes portions Ex : quartz (SiO2)

3 Différents types de solides Transition liq-sol cristallin : Discontinuité du 1er ordre Transition liq-sol cristallin : Discontinuité du 2nd ordre

4 Différents types de solides Solide semi-cristallin : conjugaison des états cristallin et amorphe dans des proportions variables (taux de cristallinité) Polymère amorphe polymère semi-cristallin

5 Modèle du cristal parfait Clivage de la calcite (CaCO3) par René-Just Haüy (vers 1780) : les angles entre les faces restent les mêmes au fur et à mesure des clivages successifs

6 Modèle du cristal parfait Cristal parfait : modèle dans lequel on suppose une répartition périodique des atomes, des ions ou des molécules suivant les trois dimensions de l espace

7 description du cristal parfait Motif : plus petit groupe d'atomes / ions /molécules permettant de décrire le solide Noeud : point de l'espace repérant la position d'un motif Réseau : ensemble des nœuds d'un solide cristallin donné

8 description du cristal parfait Maille : parallélépipède rectangle permettant de reconstituer la structure cristalline par des translations de vecteur n a + p b+q c Exemples à 2D :

9 description du cristal parfait Maille élémentaire : maille comprenant un seul motif (multiplicité = 1 ), si c'est possible! Par ex, maille primitive, comprenant un motif à chaque sommet : 6 paramètres de maille : a, b, c, α, β, γ

10 description du cristal parfait Systèmes cristallins : Bravais (19ème siècle) montre que 7 systèmes cristallins permettent de décrire tous les cristaux. 14 réseaux de Bravais du fait de la possibilité d'une multiplicité ou 2

11 Réseaux de Bravais

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13 Cristaux métalliques Propriétés physiques : bonne conductivité électrique, diminuant avec la température bonne conductivité thermique opaques et réfléchissant ductiles, malléables température de fusion en général élevées Ces propriétés physiques peuvent être expliquées par le modèle de la liaison métallique

14 Cristaux métalliques modèle de la liaison métallique : liaison non directionnelle n e- de valence mis en commun par chaque atome avec tous les autres atomes

15 Cristaux métalliques Malléabilité : aptitude d'un matériau à être mis en forme par déformation plastique (forgeage, laminage, etc...) Ductilité : capacité d'un matériau à être déformé plastiquement (déformation permanente) sans se rompre.

16 Cristaux métalliques Températures de fusion élevée : Energie de liaison : ~ qques ev/atome ou ~ 100 à 1000 kj/mol Max pour W (utilisé dans les ampoules) ; min pour Hg

17 Modèle des sphères dures Atomes assimilés à des sphères dures (indéformables) Le plus proches possibles les uns des autres (liaison non directionnelle)

18 Modèle des sphères dures Atomes assimilés à des sphères dures (indéformables) Le plus proches possibles les uns des autres (liaison non directionnelle)

19 Maille cfc = cubique à faces centrées

20 Maille cfc : caractéristiques Multiplicité : nombre de motifs par maille Coordinence : nombre de premiers voisins d'un motif Compacité : proportion du volume de la maille réellement occupé par les motifs Masse volumique : rapport de la masse des motifs contenus réellement dans la maille et du volume de la maille ( ( a b). c )

21 Maille cfc : sites interstitiels

22 Maille cfc : sites interstitiels Conséquences : Propriétés optiques : rubis, saphir = solutions solides de substitution Conductivité électrique : dopage des semi-conducteurs propriétés mécaniques : Déformation thermoplastique au niveau des dislocations Durcissage grâce à des interstitiels...

23 Maille cfc : sites interstitiels

24 Maille cfc : sites interstitiels Habitabilité : rayon du plus gros atome pouvant être inséré dans le site sans déformation du réseau

25 Maille cfc : sites interstitiels

26 Maille hc

27 Maille hc

28 Maille hc : sites interstitiels

29 Maille hc : sites interstitiels Pour visualiser un site octaédrique, il est nécessaire de considérer un 6ème sommet appartenant à une autre maille. Bien qu un des sommets de l octaèdre soit externe à la maille, le centre du site est à l intérieur de la maille. Il y a donc 6 sites octaédriques par maille hexagonale

30 Solide ionique Liaison ionique : se forme entre deux ions portant des charges de signes opposés, du fait de leur interaction électromagnétique. Ex : NaCl, CaF 2, MgO Les électronégativités des deux atomes impliqués sont très différentes

31 Solide ionique Liaison non directionnelle : on garde le modèle des sphères dures Permet de définir le rayon ionique (référence = r(o2-)=140 pm) Carte de densité électronique de NaCl(obtenue aux rayons X)

32 Solide ionique : propriétés physiques Cristaux durs mais cassants les «plans» ne peuvent pas glisser les uns sur les autres Point de fusion élevé : énergie de liaison élevée Conductivité faible : aucun électron mobile

33 Solide ionique : maille Anions plus gros que les cations : seul le contact anioncation est toujours assuré Maille dépendant de la taille des deux ions

34 Solide ionique : maille (ex : CsCl et NaCl)

35 Solide ionique : maille ZnS blende

36 Solide ionique : maille

37 Solide macromoléculaire = covalent Liaison covalente entre les différents atomes du cristal Unidimensionnel : soufre mou

38 Solide macromoléculaire = covalent Bidimensionnel : graphite Tridimensionnel : diamant

39 Solide covalents : propriétés physiques Cristaux 3D très durs, d'autant plus durs que le nombre de liaisons covalentes par atome est élevé Point de fusion élevé : énergie de liaison élevée Conductivité : isolant (diamant) ou semi-conducteur (graphite)

40 Solide moléculaires Cohésion assurée par les interactions de Van der Waals et/ou des liaisons H Cristaux fragiles et peu durs Point de fusion faible : énergie de cohésion faible Conductivité électrique : faible

41 Carboglace (CO2) Glace Ih Diiode I2 Argon (Ar)

42 Le module d'young est la contrainte qui produit un allongement de 100 % de la longueur initiale. Les matériaux se déforment de manière permanente, ou même se cassent pour des allongements beaucoup plus faibles.