Cours chimie minerale 1
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Cours chimie minérale 1
Chapitre I L’ETAT SOLIDE CRISTALLIN
La matière peut exister sous trois états : L’état gazeux, l’état liquide et l’état solide.
La forme sous la quelle se trouve la matière est déterminée par les interactions entre ses particules constitutives (atomes, molécules ou ions). Les liquides et les gaz sont des fluides, déformables sous l’action de forces très faibles, ils prennent la forme du récipient qui les contient. Les solides ont une forme propre, leur déformation exige des forces importantes.
Les solides peuvent exister sous deux états différents :
- l’état désordonné caractérisé par une structure non ordonnée c’est le cas des systèmes amorphes, par exemple les verres.
- l’état ordonné caractérisé par une structure ordonnée correspond aux solides cristallins.
Un cristal est constitué d’un assemblage périodique de particules. Il peut être décrit par translation suivant les trois directions de référence d’une entité de base qu’on appelle la maille. La description du cristal nécessite la connaissance du réseau et celle du motif.
I-1-Classification des solides cristallins
Il existe deux types de solides cristallisés: les cristaux moléculaires et les cristaux macromoléculaires
Les cristaux moléculaires sont formés par des empilements réguliers de molécules; c’est le cas par exemple du diode I2, du dioxyde de carbone CO2, de l’eau H2O…..
Dans les cristaux macromoléculaires, la notion de molécule en tant qu’entité chimique indépendante est remplacée par le cristal qui constitue ainsi une molécule.
On classe parmi les cristaux macromoléculaires:
- les cristaux métalliques (Na, Fe, Cu …).
- les cristaux ioniques (NaCl, CsCl, CaF2 …). - les cristaux covalents (carbone à l’état graphite et diamant, Si, Ge …).
I-2-Propriétés physiques
Les propriétés physiques sont différentes suivant la nature des cristaux.
a- Température de fusion
Les cristaux moléculaires ont des températures de fusion basses, en général inférieures à 0°C. Les cristaux métalliques présentent une gamme assez étendue de températures de fusion. Par contre les cristaux ioniques et les cristaux covalents ont des températures de fusion très élevées.
b- conductibilité électrique
Les cristaux métalliques sont de bons conducteurs de l’électricité. Les cristaux ioniques et moléculaires sont des isolants, bien que à l’état fondu les composés ioniques sont des conducteurs. Les cristaux covalents peuvent être des isolants (diamant), des semiconducteurs (Si, Ge) ou des conducteurs unidirectionnels (graphite).
c- Propriétés optiques
Les métaux ont un pouvoir réflecteur élevé. Les autres composés sont, en général, transparents. I-3- Nature des cristaux et classification périodique Parmi les non-métaux C, Si, Ge, P, As, Sb, Se, Te conduisent à des cristaux covalents. Les autres corps simples (H2, dihalogènes, gaz rares…) cristallisent sous forme de cristaux moléculaires. Pour les corps composés, si la différence d’électronégativité entre les éléments est importante, il y aura formation de cristaux ioniques. Par contre si la différence d’électronégativité est faible, les cristaux seront covalents ou moléculaires.
…
I-4- Notions de cristallographie
Un solide cristallin est constitué par un grand nombre de particules (ions, atomes, molécules) situés en des points précis de l’espace.
a- Définitions
* Le réseau cristallin Un réseau périodique est constitué par un ensemble de motifs identiques disposés de façon périodique dans une direction (réseau monodimensionnel) un plan (réseau bidimensionnel) ou un espace (tridimensionnel). Un réseau cristallin est constitué par un arrangement triplement périodique de particules dans trois directions de l’espace.
…
* Les nœuds d’un réseau
Les points du réseau où se trouvent les particules sont appelés nœuds du réseau. Ils se déduisent les uns des autres par une translation de vecteur: u a + v b + w c, avec u, v, w des entiers et a, b, c, des vecteurs non coplanaires choisis de façon à avoir le plus petit module.
* La maille cristalline
On appelle maille la structure géométrique la plus simple qui par translation dans les trois directions de l’espace, permet de générer le réseau cristallin dans son ensemble. La maille est généralement un parallélépipède, définie par les trois longueurs a, b, c et par les trois angles α, β, γ. a, b et c constituent les paramètres de la maille.
Figure I-1 : Schéma d’une maille cristalline Une maille est dite simple si elle contient un seul nœud. Une maille est dite multiple si elle contient plusieurs nœuds. La plus petite maille cristalline permettant de décrire tout le cristal est appelée maille élémentaire.
* Le motif ou groupement formulaire
Le motif est l’entité chimique de base constituant le cristal: c’est l’atome, la molécule ou les groupements ioniques occupant les nœuds du réseau cristallin.
* La coordinence
La coordinence ou nombre de coordination d’une particule donnée représente le nombre de particules les plus proches environnant cette particule.
* Les sites cristallographiques
Les sites cristallographiques correspondent à des vides interstitiels entre les atomes. Les plus fréquents sont les sites tétraédriques délimités par 4 atomes et les sites octaédriques délimités par 6 atomes.
* La multiplicité La multiplicité m, n ou z d’une maille cristalline représente le nombre de motifs (ou groupements formulaires) appartenant à cette maille.
* La compacité
La compacité représente le rapport du volume occupé par les n particules appartenant à la maille au volume total de la maille. Si on assimile les particules à des sphères de même rayon r la compacité C peut être calculée par la relation: C = z 4/3 π r 3 avec vmaille = a ( b ^ c ) vmaille On utilise aussi le taux de compacité défini par: τ = 100C * La Masse volumique ρ et la densité d d’un solide ρ = masse du solide (en g/cm3 ) Son volume Si on se réfère à une maille: ρ = masse de la maille volume de la maille masse de la maille = z x masse du motif = z x Masse molaire du motif /N D’où ρ = z Mmotif N vmaille
d = masse d’un certain volume du solide (sans unités) masse du même volume d’eau Pour les solides: ρ (en g/cm3 ) = d (sans unités) La densité d est une donnée important dans l’étude des structures cristallines. d est calculée à partir des résultats de l’analyse par diffraction RX. d peut également être mesurée expérimentalement. La comparaison des 2 valeurs permet de confirmer la structure obtenue.
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