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Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre.

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1 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre

2 Au-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 matériaux Matériaux Objets

3 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Au-delà de la nature des atomes… …de la nécessité de connaître la structure Composition chimique Conditions extérieures : Température, pression

4 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Au-delà de la nature des atomes… …de la nécessité de connaître la structure Organisation inter-atomique,structure Cas du di-oxyde dhydrogène : leau

5 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre cristaux d'helium 4 T = 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

6 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Au-delà de la nature des atomes… …de la nécessité de connaître la structure Organisation inter-atomique,structure Verre silico-alumineux Cristaux à base doxyde de zinc

7 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Cohésion inter-atomique dans un solide Du gaz au solide, exemple de largon Argon gazeux T=20°C Pression atmosphérique 1cm 3 - 1,8 mg atomes – D 0 = 0,2 nm V = 400 m/s – libre parcours moyen (l) : 100 nm Fréquence de collision (n) : s -1 Ar solide T f = -189°C 1cm 3 - 1,6 g – 2, atomes Coeff. dautodiffusion: 10 6 fois plus faible que dans le liquide Ar liquide T eb = -187°C 1cm 3 - 1,4 g – 2, atomes – V = 40 m/s Vibration s -1 Fréquence de saut s -1

8 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Cohésion inter-atomique dans un solide Du gaz au solide, exemple de largon

9 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Cohésion inter-atomique dans un solide 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 létat solide » 7 ème édition, Dunod, Paris, 1998 Les liaisons de van der WaalsFaibles Ar Les liaisons ioniquesFortes Na + Cl - Na + Cl - Na + Cl - Na + Les liaisons covalentesFortes C CC CC Les liaisons métalliquesFortes Na +

10 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Cohésion inter-atomique dans un solide Solide formé datomes neutres, cristal dun gaz rare Interaction attractive : interaction de van der Waals Ar Latome 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 r1r1 r2r2 Les particules chargées oscillent le long de laxe x avec une constante de force C Fréquence de résonance : 0 = (C/m) 1/2 Lénergie dattraction résultante varie comme -A/R 6 Interaction quantique

11 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Cohésion inter-atomique dans un solide Solide formé datomes neutres, cristal dun gaz rare Interaction répulsive Lorsque les atomes se rapprochent leurs nuages électroniques sinterpénètrent Les électrons de latome 1 ont tendance à occuper des états quantiques déjà occupés par les électrons de latome 2 En contradiction avec le principe dexclusion de Pauli R r1r1 r2r2 12 Ceci impose que certains électrons passent sur des états dénergie plus élevés Augmentation de lénergie globale Apparition dune énergie répulsive en B/R 12 Ar

12 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Cohésion inter-atomique dans un solide Solide formé datomes neutres, cristal dun gaz rare Energie répulsive 1/R 12 Energie attractive -1/R 6 Energie potentielle de Lennard-Jones Energie de liaison faible. Ex. : argon 7,74 kJ/mole) Ar

13 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Cohésion inter-atomique dans un solide Energie répulsive Energie attractive Energie potentielle de Lennard-Jones Généralisation : compétition entre une énergie de cohésion et une énergie de répulsion La forme de lénergie dattraction dépend du type de liaison considérée

14 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Cohésion inter-atomique dans un solide Solide ionique Na + Cl - Na + Cl - Na + Cl - Na + Interaction électrostatique La liaison ionique résulte de linteraction électrostatique entre des ions de charges opposées Energie de Madelung Interaction électrostatique : Énergie dautant plus forte que R est petit mais cette interaction a une portée relativement longue

15 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Cohésion inter-atomique dans un solide Solide ionique Na + Cl - Na + Cl - Na + Cl - Na + Interaction électrostatique Energie répulsive : Lénergie entre 2 ions est la somme de lénergie répulsive et de lénergie attractive. Lénergie répulsive nest significative que pour les plus proches voisins Proches voisins : Autres ions : R : distance entre proches voisins p ij R: distance entre latome i est tout autre atome j

16 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Cohésion inter-atomique dans un solide Solide ionique Na + Cl - Na + Cl - Na + Cl - Na + Interaction électrostatique Proches voisins :Autres ions : Constante de Madelung Le solide nest stable que si est positif

17 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Cohésion inter-atomique dans un solide Solide ionique NaCl Énergie de liaison forte Ex. : Chlorure de sodium 786 kJ/mole Interaction électrostatique

18 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Cohésion inter-atomique dans un solide Solide métallique Un métal peut être considéré comme un réseau dions positifs immergé dans un nuage délectrons (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 +

19 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Cohésion inter-atomique dans un solide Solide covalent Liaison covalente : mise en commun délectrons entre des atomes ayant des couches électroniques incomplètes Exemple : diamant Énergie de liaison forte Ex. : diamant 711 kJ/mole, Silicium 446 kJ/mole, germanium 372 kJ/mole

20 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Cohésion inter-atomique dans un solide 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 délectron liaison ionique

21 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Cohésion inter-atomique dans un solide Solide mixte Exemple : graphite (covalent et van der Waals)

22 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Changement détat, transition de phase Température Pression Gaz Liquide Solide Solidification Fusion Vaporisation Liquéfaction Sublimation Condensation

23 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Changement détat, transition de phase

24 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Changement détat, transition de phase Diagramme détat du dioxyde de zirconium (zircone)

25 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre Influence de la composition chimique, diagramme de phases


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