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Structure des solides

Structure des solides

Lorsque la température est si basse que les molécules d’une substance n’ont pas assez d’énergie pour échapper même partiellement à leurs voisines, la substance se solidifie. La nature du solide dépend du type de forces qui maintiennent ensemble les atomes, les ions ou les molécules.

Classification des solides

 Le solide cristallin

Dans l’état cristallin les atomes, les ions ou les molécules sont disposés de façon ordonnée. Ce type de solide possède un ordre à longue distance. Les solides cristallins ont typiquement des surfaces planes bien définies appelées faces cristallines, faisant entre elles des angles précis. Ces faces sont constituées de couches ordonnées d’atomes.

Nous classons les solides cristallins selon les liaisons qui maintiennent en place leurs atomes, leurs ions ou leurs molécules :

-Les solides covalents sont constitués d’atomes liés par covalence à leurs voisins à travers tout le solide.

Exemples : nitrate de bore (BN), silice (SiO2), le diamant, le carbone graphite,…

-Les solides métalliques, appelés aussi simplement métaux, sont constitués de cations maintenus ensemble (assemblage rigide) par une mer d’électrons ce qui en fait des conducteurs électriques.

Exemples : éléments des blocs s et p.

-Les solides ioniques sont fondés sur l’’attraction mutuelle de cations et d’anions.

Exemples : chlorure de sodium ou sel de cuisine (NaCl), fluorine (CaF2), nitrate de potassium (KNO3),…

-Les solides moléculaires sont des assemblages de molécules discrètes maintenues en place par des forces intermoléculaires, donc sur des liaisons de van der Waals ou des liaisons hydrogène.

Les liaisons hydrogènes ainsi que les liaisons van der Waals ne représentent pas des liaisons fortes, comme les liaisons covalentes ou ioniques. Les solides moléculaires sont généralement de caractère fragile que les solides ioniques. Cela se manifeste par une température de fusion plus basse. Dans les conditions ambiantes, la glace fond à 0 °C.

Exemples : glace (H2O à l’état solide), saccharose ou sucre de cuisine (C12H22O11), naphtalène (C10H8),…

Les principales caractéristiques des différents types des solides cristallins sont listées dans le tableau ci-dessous :

Type Caractéristiques
Métallique Malléables ; ductiles ; brillants ; conducteurs thermiques et électriques
Ionique Durs ; rigides ; cassants ; points de fusion et d’ébullition élevés ; ceux qui sont solubles dans l’eau donnent des solutions conductrices
Covalent Durs ; rigides ; cassants ; points de fusion très élevés ; insolubles dans l’eau
Moléculaire points de fusion et d’ébullition relativement bas ; cassants à l’état pur

Le solide amorphe

Dans un solide amorphe, comme le caoutchouc ou le verre, les atomes, les ions ou les molécules sont dans un désordre aléatoire. La structure d’un solide amorphe ressemble à un instant figé de la vie d’un liquide, avec seulement un ordre à courte distance. Contrairement aux solides cristallins, les solides amorphes n’ont de faces bien définies que s’ils sont moulés ou coupés.

Exemples, le magma, les verres, les élastomères,…

 Le solide amorphe

Les alliages

Les alliages sont des matériaux métalliques obtenus en mélangeant au moins deux métaux. Ils sont de nombreux usages, comme la construction, et ils sont essentiels pour l’industrie du transport et l’industrie électronique.

-Dans les alliages homogènes, les atomes des différents éléments sont répartis uniformément. Le laiton, le bronze et les alliages monétaires en sont des exemples.

-Les alliages hétérogènes, comme la soudure étain-plomb et l’amalgame de mercure utilisé parfois pour boucher les dents sont constitués de mélanges de phases cristallines ayant des compositions différentes.

Quelques alliages courants sont listés dans le tableau suivant :

Alliage Composition en masse
Laiton Jusqu’au 40 % de zinc dans le cuivre
Bronze Un métal autre que le  zinc ou le nickel dans le cuivre (bronze de moulage 10 % de Sn et 5 % de Pb)
Cupronickel Du nickel dans le cuivre (cupronickel monétaire : 25 % de Ni,
Etain 6 % d’antimoine et 1.5 % de cuivre dans l’étain)
Soudure Etain et plomb
Acier inox Plus de 12 % de chrome dans le fer

 

Les cristaux liquides

Un type de matériau qui a transformé l’affichage électronique n’est ni un solide, ni un liquide, mais quelque chose d’intermédiaire entre ces deux états de la matière. Les cristaux liquides sont des substances qui coulent comme des liquides visqueux, mais dont les molécules présentent une disposition relativement ordonnée, comme celles d’un cristal. Ce sont des exemples de mésophases, un état de la matière intermédiaire, avec la fluidité d’un liquide et un peu de l’ordre moléculaire d’un solide. Les cristaux liquides trouvent de nombreuses applications dans l’industrie électronique comme ils réagissent aux variations de température et de champ électrique.

Les propriétés des solides

Les propriétés des matériaux sont des conséquences de leur structure au niveau moléculaires. Les solides sont les piliers de la technologie, et il n’est guère surprenant qu’on ait fait autant d’efforts pour développer et comprendre leurs propriétés.

Les solides sont des formes denses de la matière parce que leurs atomes, leurs ions ou leurs molécules sont entassés de façon compacte. Les métaux sont souvent plus denses que les autres sortes de solides puisque leurs atomes sont entassés de façon encore plus compacte. Les solides ioniques ont des points de fusion plus élevés que les solides moléculaires parce que les forces inter-ioniques sont beaucoup plus fortes que les forces intermoléculaires. Les solides covalents sont des points de fusion extrêmement élevés puisque leur fusion nécessite la rupture de liaisons covalentes.

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