Structure de létat solide des substances et propriétés physiques

Treillis. Un réseau est un ensemble ordonné de points qui définissent la structure d'un cristal ou de particules formant des cristaux. Ses points identifient la cellule unitaire d'un cristal. Un réseau cristallin est un arrangement structurel tridimensionnel symétrique d'atomes, d'ions ou de molécules, sous forme de points. Les ions dans le réseau cristallin ont besoin de moins d’énergie pour rester ensemble. Cela est dû à leur disposition systématique qui les rend stables. Que savez-vous d’autre sur ses fonctionnalités ?.

Caractéristiques communes d'un réseau cristallin. Dans un réseau cristallin, chaque atome, ion ou molécule est représenté par un seul point. Ces points sont appelés points de treillis. Ceux qui sont joints par des lignes droites. En reliant ces lignes, nous obtenons une structure tridimensionnelle d'un réseau cristallin également connu sous le nom de réseau de BravaisCellules unitaires. La cellule unitaire est la plus petite partie du réseau cristallin. C'est l'unité répétitive la plus simple par laquelle l'ensemble du réseau est généré. Il existe plusieurs types de cellules unitaires.

Cellule unitaire primitive. Une cellule unitaire primitive est observée lorsque seules les positions d'angle sont occupées par des particules.

Cellule unitaire centrée. Une cellule unitaire centrée a trois types. centré sur le corps, lorsque les particules sont situées au centre du corps. Visage centré, lorsque les particules sont situées au centre du corps. Centré sur la base, lorsque la particule est située au centre de deux faces opposées.

Chlorure de sodium. NaCla une cellule unitaire cubique. Il est préférable de le considérer comme un réseau cubique d'anions à faces centrées avec un réseau de cations à faces centrées interpénétrantes. NaClest un halogénure alcalin avec une FCCstructure cristalline. Permanganate de potassium. Le permanganate de potassium possède une cellule unitaire orthorhombique qui contient des molécules de dimensions a=9.09Å, b=5.72Ået c=7.41Å.

Classifications. Le réseau cristallin est classé en sept systèmes de réseau différents. Système triclinique. Dans un système triclinique, les trois axes ont une inclinaison l'un vers l'autre et sont de même longueur. Tous les angles α, β et γ ne sont pas égaux à 90 degrés.

Cette image est une photo de la Microcline, un cristal appartenant au système Triclinique. Il est important de noter que la forme de la cellule unitaire contribue à la forme finale. Cependant, la forme vue ici ne représente pas la forme de la cellule unitaire.

Système monoclinique. Dans ce cas, deux axes sont à 90 degrés l'un par rapport à l'autre, tandis que le troisième axe présente une inclinaison. Ils ont tous des longueurs différentes. Ici vous pouvez voir un cristal monoclinique.

Système orthorhombique. Les trois axes sont à 90 degrés les uns par rapport aux autres. Ceux-ci ont des longueurs différentes. Il existe quatre types. orthorhombique primitif représenté en haut à gauche. Orthorhombique à base centrée représentée en haut à droite. Corps orthorhombique centré représenté en bas à gauche. Orthorhombique à face centrée représentée en bas à droite.

Voici un exemple de cristal appartenant à un système orthorhombique. Il provient de la mine de Salsigne en France. C'est un cristal d'aragonite.

Système trigonal. Dans les systèmes trigonaux, il y a trois côtés, en forme de pyramide. Système hexagonal. Il possède quatre axes parmi lesquels trois sont de même longueur et sont également sur un même planIls se croisent sous un angle de 60. Les quatrième axes coupent d’autres axes à 90 degrés. Système tétragonal. Dans les systèmes tétragonaux, deux axes ont la même longueur et sont dans le même plan tandis que les troisièmes axes varient en longueur et peuvent être courts ou longs. Système cubique. Dans un système cubique, les trois axes se coupent à 90 degrés et ont la même longueur.

Liaison formée lors de la formation du réseau. Les atomes s'organisent en réseau en raison de la force d'attraction nette entre leurs électrons et leurs noyaux. Les cristaux formés par formation de réseau peuvent appartenir à l’une des trois catégories suivantes. Ils sont classés en différents types en fonction du type de liaison qu'ils contiennentCette liaison peut être de nature covalente, ionique et métallique. Dans la liaison ionique, les atomes échangent des électrons lors de la formation du réseau lorsqu'ils entrent en contact. Dans la liaison covalente, les molécules partagent des électrons appariés lors de la formation du réseau. Dans la liaison métallique, il existe une force d'attraction entre les électrons libres et les ions métalliques positifs lors de la formation du réseau.

L’ampleur des forces qui maintiennent une substance ionique ensemble est très élevée. Cela a un effet spectaculaire sur bon nombre de ses propriétés. Ainsi, les points de fusion varient en fonction des énergies de réseau des substances ayant une structure similaire. Étant donné que la force qui maintient les substances ensemble est élevée, le point de fusion est également élevé. La distance entre les ions est également affectée de telle manière que plus la distance est petite, plus la liaison est forte.

Réseaux homoatomiques. Que savez-vous à ce sujet ? des lattés ? Les molécules constituées d’atomes du même élément sont dites homoatomiques. Un type d'atome se rassemble et forme des molécules en s'organisant dans un arrangement tridimensionnel, formant ainsi un réseau. Les réseaux formés d’atomes homogènes sont donc appelés réseaux homoatomiques.

Diamant. La structure cristalline d'un diamant est un réseau cubique à faces centrées. Cette structure cristalline cubique est un motif répétitif d’atomes. Dans ces arrangements, les atomes peuvent former quatre liaisons covalentes très fortes. Il est donc évident que les atomes ont tendance à former des structures tridimensionnelles.

Graphite. Les graphites sont constitués de feuillets d'anneaux hexagonaux fortement liés. Parce que les feuilles sont éloignées les unes des autres et faiblement liées les unes aux autres, ces feuilles peuvent se déplacer parallèlement les unes aux autres, ce qui fait du graphite un lubrifiant doux. Il n’y a pas de liaisons covalentes entre les couches. Chaque carbone forme trois liaisons covalentes avec d’autres atomes de carbone.

Réseaux hétéroatomiques. Les atomes de différents éléments forment des liaisons covalentes et sont disposés dans une structure tridimensionnelle appelée réseaux hétéroatomiques. Ces molécules sont constituées par des liaisons covalentes entre des atomes de différents éléments. Ces molécules liées de manière covalente s'organisent dans la structure en réseau. Étant donné que les réseaux hétéroatomiques sont formés par des liaisons covalentes entre un atome de différents éléments, ils possèdent une force très élevée qui maintient ces molécules ensemble. C'est pourquoi ils ont une dureté élevée et des points de fusion et d'ébullition élevés.

Habituellement, le point de fusion, le point d’ébullition et la solubilité dépendent de la polarité de la molécule. Les composés ioniques sont plus polaires et solubles dans l’eau. Mais les réseaux hétéroatomiques qui ont moins de polarité et moins de caractéristiques polaires sont insolubles dans l’eau. Les réseaux hétéroatomiques ont formé des molécules qui ont des atomes liés de manière covalente à des éléments différents. Parce que ces molécules sont liées de manière covalente et que la grandeur du réseau de la force est élevée. De tels réseaux ne peuvent pas conduire l’électricité. C’est aussi parce qu’ils n’ont pas d’électrons libres.

La silice est un oxyde de silicium. On le trouve dans la nature sous forme de quartz et on l'observe également dans divers organismes vivants. Cela a une structure linéaire comme CO₃²-. Les atomes de silicium présentent une coordination tétraédrique avec quatre atomes d'oxygène qui entourent un atome de Si central. Par conséquent, le dioxyde de silicium provient d'un réseau tridimensionnel de solides. Dans ce cas, chaque atome est lié de manière covalente aux quatre autres atomes d'oxygène de manière tétraédrique. Sa structure est également appelée structure covalente géante.

Réseau moléculaire non polaire. Les molécules non polaires sont formées d'atomes comme les gaz nobles ou formées de liaisons covalentes non polaires. Dans le réseau moléculaire, les points du réseau sont occupés par des molécules. Dans les réseaux de molécules non polaires, les points du réseau sont occupés par des molécules non polaires ou des gaz nobles. Dans les réseaux de molécules non polaires, les atomes ou les molécules sont maintenus par de faibles forces de dispersion. On les appelle forces de Van der Wall. Il n’y a pas de liaisons covalentes fortes entre les points ou les couches du réseau. Par conséquent, les forces de van der Wall les maintenaient ensemble dans un treillis.

Les points de fusion et d'ébullition des réseaux moléculaires non polaires sont très bas et sont généralement à l'état liquide ou gazeux à température et pression ambiantes. Il existe une forte liaison covalente entre les molécules qui maintient l'atome ensemble. En raison de ces liaisons covalentes intermoléculaires, les électrons sont localisés. C'est pourquoi les réseaux moléculaires sont mous et de mauvais conducteurs d'électricité.

Les molécules non polaires sont susceptibles de se dissoudre dans des solvants non polaires. L'hexane est un solvant non polaire, donc les molécules non polaires s'y dissolvent plus facilement. C'est aussi parce que les deux sont attirés l'un vers l'autre et que les liaisons liant les molécules de soluté non polaire sont rompues. Quelques exemples de solvants non polaires sont le chloroforme, le toluène, l’hexane et le dichlorométhane.

Cristal d'iode. L'iode est un solide non métallique, presque noir, à température ambiante. Il a une apparence cristalline scintillante. Son réseau moléculaire contient des molécules diatomiques discrètes, qui sont également observées à l'état fondu et gazeux. Un réseau moléculaire non polaire d'iode est dissous dans du chloroforme et de l'hexane, un solvant non polaire. Il ne se dissout pas dans l'eau. Il a une dureté, un point de fusion et un point d'ébullition élevés.

Réseaux moléculaires polaires. Ces types de molécules sont formées par des liaisons covalentes polaires. Ces molécules sont maintenues ensemble par des interactions dipôle-dipôle relativement plus fortes. Les réseaux de molécules polaires contiennent des molécules polaires aux points du réseau. Ces molécules polaires sont plus susceptibles de se dissoudre dans le solvant polaire. Cela est dû au fait que les solvants polaires ont une charge négative et positive à différents endroits de leurs substances. Ils aident à dissoudre d’autres molécules polaires. L’interaction dipôle-dipôle est utile à ce stade. Certains solvants polaires sont l’eau, l’acétone, l’acétonitrile, l’isopropanol et le méthanol.

Parce que ces solides sont mous et ne possèdent pas d’électrons libres, ils ne conduisent pas l’électricité. Ces molécules sont polaires. Étant donné que ces molécules ont une interaction dipôle-dipôle, elles contiennent des charges partiellement positives et partiellement négatives. Chaque molécule possède un moment dipolaire permanent. En raison d'une interaction dipôle-dipôle plus forte, ces réseaux moléculaires polaires ont une dureté élevée, des points de fusion élevés et des points d'ébullition élevés.

Glace. La glace est un solide cristallin constitué d’ions maintenus ensemble par l’attraction électrique de charges opposées. Dans ce cas, les molécules sont reliées par des liaisons hydrogène qui sont permanentes en raison de leur état gelé. Il en résulte une structure de molécules interconnectées de forme hexagonale.

Réseaux d'ions. Un composé ionique est une structure géante d'ions. Parce que les ions ont une disposition régulière et répétitive, on parle de réseau ionique. Cela se forme parce que les ions s’attirent les uns les autres. Ils forment un motif régulier avec des ions de charge opposée les uns à côté des autres. Ce réseau tridimensionnel est maintenu par des liaisons ioniques. Ceux-ci sont représentés par des lignes droites entre les ions. Les liaisons ioniques sont de fortes forces électrostatiques entre des ions de charges opposées.

Un réseau ionique géant contient un grand nombre d’ions et de liaisons ioniques. Il faut donc beaucoup d’énergie pour briser l’attraction entre ces ions de charges opposées. Par conséquent, les composés ioniques ont des points de fusion et des points d’ébullition élevés. Les substances ioniques sont généralement plus solubles dans le solvant polaire car l’énergie du réseau est élevée. Il faut donc davantage de solvant polaire pour surmonter l’énergie du réseau du composé ionique afin de le dissoudre. L’eau est donc le solvant le plus courant pour les composés ioniques. Cela se produit pour la raison suivante. Le cation positif du solide ionique est attiré vers l’extrémité négative de l’eau. De plus, l’anion négatif du composé ionique est attiré par l’extrémité positive de la molécule d’eau.

Les solides ioniques n'ont pas d'électrons libres. Toute particule chargée peut transporter du courant, mais dans un réseau solide, tous les ions sont piégés. Ils ne peuvent donc pas bouger de leurs positions fixes. Par conséquent, les composés ioniques solides ne conduisent pas l’électricité. Les composés ioniques à l'état fondu ont des ions libres d'un plan à l'autre. Ainsi, à l’état fondu, les composés ioniques peuvent conduire l’électricité. Lorsque des composés ioniques sont en solution, ils contiennent des ions libres qui se déplacent librement. Ils conduisent l’électricité parce que les ions libres se déplacent d’un endroit à un autre.

Chlorure de sodium. Les liaisons ioniques se produisent généralement entre des ions non métalliques et des ions métalliques. Comme le sodium est un métal et le chlorure est un non-métal, ils forment un composé ionique NaClen utilisant une liaison ionique. C'est du sel. Dans le sel, le sodium et le chlore complètent leur octet en faisant don de leurs électrons de valence au chlore. Ses molécules s'organisent selon une structure tridimensionnelle comme un FCCréseau d'anions avec une interpénétration FCCréseau de cations. Chaque ion possède six coordonnées et contient une géométrie octaédrique locale. Il a une cellule unitaire cubique.

Treillis métalliques. C'est le type de liaison qui se forme pour créer la structure des métaux. Dans ces réseaux, les ions métalliques chargés positivement sont disposés en rangées régulières. Leurs électrons délocalisés sont partagés entre eux tous. Ces électrons circulent dans les rangées de manière délocalisée. Dans le réseau métallique, les métaux sont composés d'atomes en couches ordonnées qui forment une structure cristalline tridimensionnelle. Il présente généralement un réseau cubique centré dans lequel chaque atome est entouré de huit voisins les plus proches.

On le voit également dans le réseau cubique à faces centrées dans lequel un atome donné a douze voisins les plus proches. Il montre également un réseau fermé ou hexagonal dans lequel chaque métal est connecté à six ions adjacents dans un plan. Le magnésium est un solide métallique. Dans son réseau, les unités qui occupent des sites de réseau sont des ions mg qui sont entourés d'électrons délocalisés. La disposition des ions se fait dans un seul plan, qui est un réseau hexagonal ou une couche métallique fermée. Par conséquent, chaque métal possède six ions adjacents dans un plan.

Lorsque les atomes de sodium se rassemblent, ils forment le réseau cubique centré. Chaque atome de sodium est entouré de huit autres atomes de sodium voisins qui sont organisés dans un réseau cubique. Dans l'illustration, comme nous pouvons le voir, le sodium central est entouré de 8 atomes de sodium voisins. L'aluminium a une structure cristalline cubique à faces centrées à température ambiante. C'est un métal d'une grande importance car il possède une conductivité électrique et thermique élevée, une résistance élevée à la corrosion et une bonne réflectivité.