Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre

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1 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre

2 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre
Au-delà de la nature des atomes… …de la nécessité de connaître la structure Propriétés physiques des matériaux Composition chimique Matériaux Objets Liaison chimique Organisation inter-atomique, structure Écart à la structure parfaite, défauts Microstruture Texture Architecture

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 d’hydrogène : l’eau

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 d’oxyde de zinc

7 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre
Cohésion inter-atomique dans un solide Du gaz au solide, exemple de l’argon Argon gazeux T=20°C Pression atmosphérique 1cm3 - 1,8 mg atomes – D0= 0,2 nm V = 400 m/s – libre parcours moyen (l) : 100 nm Fréquence de collision (n) : s-1 Ar liquide Teb= -187°C 1cm3 - 1,4 g – 2, atomes – V = 40 m/s Vibration 1012 s-1 Fréquence de saut 1010 s-1 Ar solide Tf = -189°C 1cm3 - 1,6 g – 2, atomes Coeff. d’autodiffusion: 10 6 fois plus faible que dans le liquide

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

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 Les liaisons de van der Waals Faibles Ar Les liaisons ioniques Fortes Na+ Cl- Les liaisons métalliques Fortes Na+ Les liaisons covalentes Fortes C Charles Kittel « Physique de l’état solide » 7ème édition, Dunod, Paris, 1998

10 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre
Cohésion inter-atomique dans un solide Solide formé d’atomes neutres, cristal d’un gaz rare Ar Interaction attractive : interaction de van der Waals Formation de moment dipolaire du à La mobilité des électrons sur les orbitales atomiques  L’atome neutre est assimilé à un dipôle  Les atomes interagissent entre eux comme des dipôles + - R r1 r2 Les particules chargées oscillent le long de l’axe x avec une constante de force C Fréquence de résonance : w0 = (C/m)1/2 L’énergie d’attraction résultante varie comme -A/R6 Interaction quantique

11 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre
Cohésion inter-atomique dans un solide Solide formé d’atomes neutres, cristal d’un gaz rare Ar Interaction répulsive + - R r1 r2 1 2  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  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

12 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre
Cohésion inter-atomique dans un solide Solide formé d’atomes neutres, cristal d’un gaz rare Ar Energie répulsive 1/R12 Energie attractive -1/R6 Energie potentielle de Lennard-Jones Energie de liaison faible. Ex. : argon 7,74 kJ/mole)

13 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre
Cohésion inter-atomique dans un solide Généralisation : compétition entre une énergie de cohésion et une énergie de répulsion Energie répulsive Energie attractive Energie potentielle de Lennard-Jones La forme de l’énergie d’attraction 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- Interaction électrostatique La liaison ionique résulte de l’interaction électrostatique entre des ions de charges opposées Energie de Madelung Interaction électrostatique : Énergie d’autant 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- Interaction électrostatique Energie répulsive : L’énergie entre 2 ions est la somme de l’énergie répulsive et de l’énergie attractive. L’énergie répulsive n’est significative que pour les plus proches voisins Proches voisins : Autres ions : R : distance entre proches voisins pijR: distance entre l’atome i est tout autre atome j

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

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

18 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre
Cohésion inter-atomique dans un solide Solide métallique Na+ 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)

19 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre
Cohésion inter-atomique dans un solide Solide covalent Liaison covalente : mise en commun d’électrons 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 d’électron  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 d’état, transition de phase Température Pression Gaz Liquide Solide Solidification Fusion Vaporisation Liquéfaction Condensation Sublimation

23 Introduction. Matière solide et matériaux. Cristal et verre
Changement d’état, transition de phase

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

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