Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre.

Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre

Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verreAu-delà de la nature des atomes…

…de la nécessité de connaître la structure

Composition chimique

Organisation inter-atomique,structure

Microstruture

Architecture

Liaison chimique

Écart à la structure parfaite, défauts

Texture

Propriétés physiques des Propriétés physiques des matériauxmatériaux

Matériaux

Objets


…de la nécessité de connaître la structure

Composition chimique

Conditions extérieures : Température, pression


…de la nécessité de connaître la structure Organisation inter-

atomique,structureCas du di-oxyde d’hydrogène : l’eau


cristaux d'helium 4T = 1.4 K

T = 1.1 K

T = 0.5 K

T = 0.1 K

Plus la température est basse, plus il y a de facettes à la surface des cristaux


…de la nécessité de connaître la structure Organisation inter-

atomique,structure

Verre silico-alumineux

Cristaux à base d’oxyde de zinc

http://perso.orange.fr/alain.fichot/index_fr.html

Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verreCohésion inter-atomique dans un solide

Du gaz au solide, exemple de l’argon

Argon gazeux T=20°C Pression atmosphérique1cm3 - 1,8 mg - 3 1019 atomes – D0= 0,2 nmV = 400 m/s – libre parcours moyen (l) : 100 nmFréquence de collision (n) : 5 109 s-1

Ar solide Tf = -189°C1cm3 - 1,6 g – 2,6 1022 atomes Coeff. d’autodiffusion: 10 6 fois plus faible que dans le liquide

Ar liquide Teb= -187°C1cm3 - 1,4 g – 2,3 1022 atomes – V = 40 m/s Vibration 1012 s-1 Fréquence de saut 1010 s-1


Du gaz au solide, exemple de l’argon


Énergie nécessaire pour séparer les constituants du solide en atomes neutres, libres et au repos infiniment éloignés les uns des autres et ayant la même configuration électronique

Charles Kittel « Physique de l’état solide » 7ème édition, Dunod, Paris, 1998

Les liaisons de van der Waals

Faibles

Ar

Ar

Ar Ar

Ar

Ar Ar

Les liaisons ioniques

Fortes

Na+Cl- Cl-

Na+Cl- Cl-

Na+Cl-Na+

Les liaisons covalentes

FortesC

C C

C C

Les liaisons métalliques

Fortes

Na+

Na+

Na+Na+ Na+


Solide formé d’atomes neutres, cristal d’un gaz rareInteraction attractive : interaction de van der Waals

Ar

Ar

Ar Ar

Ar

Ar Ar

L’atome neutre est assimilé à un dipôle

Les atomes interagissent entre eux comme des dipôles

Formation de moment dipolaire du à La mobilité des électrons sur les orbitales atomiques

+ - + -R

r1 r2

Les particules chargées oscillent le long de l’axe x avec une constante de force C

Fréquence de résonance : 0 = (C/m)1/2

L’énergie d’attraction résultante varie comme -A/R6

2

4

0 C2

eA Interaction

quantique


Solide formé d’atomes neutres, cristal d’un gaz rareInteraction répulsive

Lorsque les atomes se rapprochent leurs nuages électroniques s’interpénètrent

Les électrons de l’atome 1 ont tendance à occuper des états quantiques déjà occupés par les électrons de l’atome 2

En contradiction avec le principe d’exclusion de Pauli

+ - + -

R

r1 r2

1 2

Ceci impose que certains électrons passent sur des états d’énergie plus élevés

Augmentation de l’énergie globale

Apparition d’une énergie répulsive en B/R12

Ar

Ar

Ar Ar

Ar

Ar Ar


Solide formé d’atomes neutres, cristal d’un gaz rare

126

RR4)R(U

0 5 10 15 20R (unité arbitraire)

U(R

) (u

nité

arb

itra

ire)

Energie répulsive 1/R12

Energie attractive -1/R6

Energie potentielle de Lennard-Jones

Energie de liaison faible. Ex. : argon 7,74 kJ/mole)

Ar

Ar

Ar Ar

Ar

Ar Ar


0 5 10 15 20R (unité arbitraire)

U(R

) (u

nité

arb

itra

ire)

Energie répulsive

Energie attractive

Energie potentielle de Lennard-Jones

Généralisation : compétition entre une énergie de cohésion et une énergie de répulsion

La forme de l’énergie d’attraction dépend du type de liaison considérée


Solide ioniqueNa+Cl- Cl-

Na+Cl- Cl-

Na+Cl-Na+

Interaction électrostatique

La liaison ionique résulte de l’interaction électrostatique entre des ions de charges opposées Energie de

Madelung

Interaction électrostatique : R4

qU

0

2

E

Énergie d’autant plus forte que R est petit mais cette interaction a une portée relativement longue


Solide ioniqueNa+Cl- Cl-

Na+Cl- Cl-

Na+Cl-Na+


Energie répulsive :

RexpAUR

L’énergie entre 2 ions est la somme de l’énergie répulsive et de l’énergie attractive.

R

q

41RexpAU

2

0

L’énergie répulsive n’est significative que pour les plus proches voisins

R

q

41RexpAU

2

0Proches voisins :

Autres ions :

2

ij0

qRp

14

1U

R : distance entre proches voisins

pijR: distance entre l’atome i est tout autre atome j


Solide ionique Na+Cl- Cl-

Na+Cl- Cl-

Na+Cl-Na+Interaction électrostatique

R

q

p41RexpANU

2

j ij0

Tot

R

q

41RexpAU

2

0Proches voisins :

Autres ions :

2

ij0

qRp

14

1U

R

q

41RexpANU

2

0

Tot

j ijp

Constante de Madelung

Le solide n’est stable que si est positif


Solide ionique

NaCl

Énergie de liaison forteEx. : Chlorure de sodium 786 kJ/mole


R

q

41RexpANU

2

0

Tot


Solide métallique

Un métal peut être considéré comme un réseau d’ions positifs immergé dans un nuage d’électrons (gaz de Fermi) presque libres

Énergie de liaison forte (moins que covalent ou ionique). Ex. : Sodium 107 kJ/mole, Cuivre 336 kJ/mole, Aluminium 327 kJ/mole)

Na+

Na+

Na+Na+ Na+


Solide covalent

Liaison covalente : mise en commun d’électrons entre des atomes ayant des couches électroniques incomplètes

Exemple : diamant

Énergie de liaison forteEx. : diamant 711 kJ/mole, Silicium 446 kJ/mole, germanium 372 kJ/mole


Solide mixte

Exemple : Carbure de silicium iono-covalent

Chaque atome de carbone partage 4 électrons de valence avec 4 atomes de silicium

Les rayons atomiques du silicium et du carbone sont en liaison covalente respectivement de 1,17 et 0,77 angström. Ceci induit un transfert d’électron liaison ionique


Solide mixte

Exemple : graphite (covalent et van der Waals)

Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verreChangement d’état, transition de phase

Température

Pre

ssio

n

Gaz

LiquideSolide

Solidification

Fusion

Vaporisation

Liquéfaction

Sublimation

Condensation


0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600

500

1 000

1 500

2 000

2 500

Pression (GPa)

Tem

péra

ture

(°C

)Hexagonal

Ortho IIOrtho I

Monoclinique

Tétragonal

Cubique

Tétragonal II

Diagramme d’état du dioxyde de zirconium (zircone)


10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

Périclase +spinelle

Périclase

Périclase +liq.Spinelle + liq.

Spinelle + corindon

Corindon + liq.

2800

2600

2400

2200

2000

1800

1600

1400

1200

1000

3000

Liquide

1995°C2105°C

1925°C

Tem

péra

ture

(°C

)

% molaireMagnésie Alumine

Spinelle

Influence de la composition chimique, diagramme de phases

Liquide

S.S. Cubique + Liq.

S.S. Cubique + MgO

S.S. Cubique

S.S. Cub. +

S.S.Tétra.

S.S. Tétragonale + MgO

S.S. monoclinique + MgO

S.S. Tétra.

100 20 30 40 50

% molaire de MgO

Tem

péra

ture

(°C

)

500

1000

1500

2000

2500

3000

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