Chapitre 1 – Les �tats de la mati�re by AbdrrahimEddafi

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									                                        Elément de module :
 Enseignant : A. Hasnaoui
                                        Cristallographie
                                        Volume horaire 40h
                               Contenu
Réseaux cristallins :
- Notions de mailles
- Rangées, plans, Indices de Miller
- Réseaux de Bravais

Empilements :
- Empilements compacts (cubique faces centrées, hexagonal compact)
- Empilements semi compacts (cubique centré)

Structures ioniques :
- Structures ioniques de type MX (CsCl, NaCl,…)
- structures de type MX2 : fluorine CaF2 et antifluorine, rutile TiO2…
- structure en couche : type CdCl2, CdI2
- Structures ioniques complexes : type MO3, type AMO3, type spinelle AM2O4...
Chapitre 1 – Les trois états
  d’ordre de la matière
                         1. Introduction

La matière  différents états (en fonction (Température, pression,
   etc...).
 Gaz : déformable + liaison très faible ou sans liaison pour les gaz
   parfaits
 Liquide : non déformable + suit la forme du récipient + liaison faible
 Solide : non déformable + garde + sa forme + liaison très forte


Exemple : la même molécule H 2O  trois états du même matériaux
vapeur d'eau, de l'eau, et de la glace,


D’un point de vue structural, on est amené à classer les matériaux en trois
catégories correspondant aux états, désordonné, ordonné et intermédiaire.
          2. Les structures désordonnées
2.1 Les gaz
Les atomes ou les molécules occupent des positions désordonnées.
Le gaz parfait : molécules sans interaction, s'agitant suivant des directions et
vitesses parfaitement désordonnées représente le désordre total.


  Volume d’un atome ou d’une molécule ~       3,72  10 4 Å 3
                                              (cube de 33 Å de coté)
  Diamètre des atomes ~ 2,5 Å
  Diamètre des molécules ~ 3 à 4 Å

 Un gaz réel est assimilable à un ensemble de particules séparées par des
 distances grandes ou très grandes par rapport à leurs dimensions propres



                        matière est très diluée
2.2 Les liquides
                                    solide + liquide : courbe de fusion
                                    solide + gaz : courbe de sublimation
                                    liquide + gaz : courbe de vaporisation

                                      Transformations thermodynamiques :

                                      A => B => D : donne un gaz
                                      comprimé dans l'état D.

                                      C => H => D :donne un liquide
                                      comprimé dans l'état D (molécules
                                      sont au contact mais garde la structure
                                      du gaz )



Remarque : la compressibilité des gaz est très élevée à cause du vide
existant entre les molécules qui leur permet de se rapprocher ; celle des
liquides est très faible, puisque les molécules sont au contact et ne peuvent
donc plus se rapprocher.
 2.3 Les solides amorphes
Si l'on parvient à refroidir un liquide en évitant la formation de germes cristallins, le
solide obtenu est dans un état hors d'équilibre appelé état amorphe.

Pour la silice SiO2 ( verres) : refroidissement à l'air libre suffit,
Pour d'autres liquides une trempe ultrarapide est nécessaire




  Contrairement à l'état liquide les atomes se déplacent difficilement les uns par
  rapport aux autres.

   La structure d’un amorphe est celle d'un liquide qui serait figé.
2.4 Ordre à petite distance
Le désordre est parfait :autour d'un atome la position d'un second est
complètement indéterminée (cas limite des gaz parfaits).

Si la densité du matériau est élevée, mais sous pression (cas des liquides ou des
corps amorphes), le désordre est parfait seulement à grande distance

Supposons que les positions des atomes soient connues. En prenant un atome
quelconque comme origine, on détermine les distances (de paires) entre cet atome
origine et ces proches voisins.

on retrouve les mêmes distances de paires  interactions entre atomes et donc
des distances entre atomes proches voisins sensiblement identiques

               0n dit alors qu'il existe un ordre partiel à petite distance
                      cet ordre disparaît à grande distance

  En résumé, l'ordre à petite distance est caractéristique de l'état désordonné.

    Conséquence: isotropie (Les propriétés des corps isotropes sont les mêmes
    quelque soit la direction selon laquelle on les mesure)
              3. Les structures ordonnées
La traversée des lignes de fusion et de sublimation traduit un changement
fondamental de structure entre les états ordonnés et désordonnés. Le matériau
obtenu est un solide dans un état parfaitement ordonné : c'est un cristal.
Autour de chaque atome, les proches voisins sont disposés suivant un
arrangement bien défini, et qui se répète rigoureusement à l'identique dans tout le
cristal : cet ordre à grande distance est caractéristique de l'état ordonné.



    Exemple à 2D




Remarque : A une température donnée, chaque atome vibre autour de sa position
d'équilibre: Les amplitudes des vibrations augmentant avec la température, celles-
ci deviennent tellement importantes, que les forces de liaison entre atomes (ions)
sont brisées. L'ordre cristallin est alors détruit: c'est la fusion.
 Conséquence: anisotrope. Les propriétés des corps anisotropes dépendent
 de la direction selon laquelle on les mesure.
3.1 Solide polycristallin
Au cours de la solidification d'un liquide, on observe l'apparition de germes
cristallins dans le liquide et la formation de petits cristaux par croissance de ces
germes.

Ces petits cristaux (ou cristallites) ont tous la même structure mais en
général ils sont orientés différemment.




                                                                 Interfaces
  Schéma simplifié                                               ou joints de grains
  d’un polycristal




   grain
 Le matériau obtenu: forme d’agglomérats

                     Grains ou cristallites

               Interfaces ou joints de grains

                                                            polycristal

La plupart des propriétés macroscopiques dépendent fortement
des interfaces et de la taille des cristallites.


Dimensions des cristallites peut varier de 0.5 à 100mm. (1mm=104Å).
Nanomatériaux : les grains peuvent atteindre des valeurs < 100 nm (1nm=10Å).

 Les solides polycristallins sont les matériaux les plus courants : pièces
 métalliques, roches, produits céramiques, ciments, etc…
3.2 Solide monocristallin

Avec des techniques avancées on peut obtenir un solide cristallisé composé
d'un cristal unique.
 De nombreux monocristaux existent à l'état naturel, souvent avec des formes
 extérieures remarquables : morphologie.

         • Quartz SiO2 (2D)                         • NaCl (3D)




 Les monocristaux sont aussi utilisés pour des besoins industriels
 On fabrique :

 Des barreaux de silicium monocristallin de 10 cm et de plusieurs dizaines de
 cm de longueur.

 Des monocristaux de iodure de sodium ou de césium (NaI et CsI) de plusieurs
 dm3 pour les besoins de la détection nucléaire et des rayons X.
3.3 Ordre de grandeur des dimensions atomiques




dans 1 cm3 de matière à l'état solide il y a 1/10 de mole

les diamètres atomiques sont de 2.5 à 3 Å (0.25 à 0.30 nm)
3.4 Les matériaux dans un état d'ordre intermédiaire
    3.4.1 Polymères cristallisés
 Exemples : polyéthylène, polypropylène, coton, nylon

Exemple de chaînes moléculaires      Empilement des chaîne : régulièrement.




    3.4.2 Polymères amorphes
Exemple : le méthacrylathe de méthyl (nom commercial : plexiglas ou altuglas)
le caoutchouc.
3.4.3 Les cristaux liquides
Ce sont des liquides ordonnés. Au cours de la fusion du cristal certains
matériaux passent par un état intermédiaire entre le liquide et le solide, cette
phase est dite mésophase ou plus couramment cristal liquide.

Les matériaux qui transitent par une phase mésomorphe sont composés de
molécules ayant la forme de bâtonnets allongés (typiquement section 6 Å x 4
Å , longueur 25 Å et rigides (au centre).


A basse température les molécules s'arrangent en couches parallèles et forment
un cristal ordonné. Lorsque la fusion se produit, l'ordre ne disparaît que
partiellement et on peut observer différents types de phases : smectique,
nématique, cholestérique. Ce sont les trois principales.
         MATERIAUX




Métaux   Céramiques   Verres
                               Polymères
                            LIAISONS ENTRE ATOMES

Les liaisons assurent la cohésion du matériau

•   Liaison covalente : mise en commun d’un doublet d’e- (polymères, élastomères).
    La liaison covalente est dirigée fortes contraintes géométriques sur les
    empilements atomiques.

•   Liaison ionique : attraction électrostatique entre deux ions (cas classique de NaCl)
    La liaison ionique est forte et non dirigée. Ex. Al2O3, MgO et ZrO2.

•   Liaison métallique : la mise en commun d’un ou de plusieurs électrons dans un
    nuage « délocalisé ». métaux = assemblage d’ions positifs dans un « gaz d’e-».
    Liaison non dirigée et conduit à des assemblages compacts.

•   Liaison de Van der Waals C’est une liaison faible, due à l’attraction électrostatique
    entre doublets électrons-noyau. Ex. polymères organiques, gaz rares à basse T°.

•   Liaison hydrogène  résonance entre deux positions d’un proton entre deux
    anions voisins fortement électronégatifs (O2-, F-), caractère ionique marqué. (ex.
    l’eau, la glace, les sels hydratés, les polymères organiques et inorganiques.

								
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