Leçons de niveau 13

Introduction à la science des matériaux/Structure de la matière et propriétés en découlant

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Structure de la matière et propriétés en découlant
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Chapitre no 7
Leçon : Introduction à la science des matériaux
Chap. préc. :Les constituants de la matière
Chap. suiv. :Le cristal parfait
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Résumé[modifier | modifier le wikicode]

Nous étudions ici la manière dont les atomes s'arrangent entre eux, et les conséquences de cet arrangement.

Durée recommandée : h.

Introduction[modifier | modifier le wikicode]

Comme nous l'avons vu, la matière est composée

  • de molécules, assemblage d'atomes, électriquement neutres ;
    • certaines molécules, dites « polaires », ont un côté positif δ+ et un côte négatif δ- ;
  • d'ions, qui ont une charge électrique positive (cation) ou négative (anions).

Les molécules polaires peuvent se lier par attraction électrostatique, formant une « liaison hydrogène ». Les ions de charge opposée peuvent se lier par attraction électrostatique, formant une « liaison ionique ».

États de la matière[modifier | modifier le wikicode]

États de la matière selon la pression et la température

Selon les conditions de pression et de température, les molécules sont plus ou moins mobiles :

  • elles sont « immobiles » (elles oscillent autour d'une position fixe) : la matière est solide ;
  • elles glissent les unes sur les autres : la matière est liquide ;
  • elles volent : la matière est gazeuse.

La température mesure l'agitation des molécules : plus la température est élevée, plus les molécules sont mobiles. La pression mesure la force, la contrainte exercée sur les molécules : plus la pression est forte, moins les molécules sont mobiles.

Réseau de molécules d'eau dans la glace

On voit que les solides ont la densité la plus importante : les molécules étant moins mobiles, elles sont plus serrées. Cela explique que le volume diminue lorsqu'un liquide se solidifie, créant une retassure (creux). L'eau est une exception : du fait de la liaison hydrogène, les molécules d'eau ne vont pas s'empiler mais vont former un réseau « plein de vide », la glace prend donc plus de volume que l'eau liquide.

Organisation des solides[modifier | modifier le wikicode]

organisation des molécules dans la matière cristalline et amorphe

La matière solide peut être :

  • organisée : on parle de « cristal », c’est le cas des minéraux, métaux et céramiques ;
  • sans ordre à longue distance : on parle de matière amorphe, c’est le cas des verres et des polymères.

Propriétés générales découlant de cette structure[modifier | modifier le wikicode]

Polymères[modifier | modifier le wikicode]

souplesse d'un polymère expliquée par les rotation des liaisons simples
Rubik's Snake

Dans les polymères, les molécules sont enchaînées entre elles par des liaisons covalentes. Elles peuvent donc tourner autour de ces liaisons. La multiplicité de ces rotations donne une grande souplesse à la chaîne polymère, à l'instar des configurations possibles que peut prendre le jeu Rubik's Snake.

Cela explique la grande souplesse des caoutchouc et de certains plastiques.

Réticulation : pontage entre les chaînes

Mais les chaînes peuvent être liées entre elles par des liaisons, en particulier des liaisons hydrogène. On parle de pontage ou de réticulation.

Cela explique la rigidité de certains plastiques. Cette rigidité peut être très importante, comme dans le cas du Kevlar qui sert à fabriquer des gilets pare-balles.

Agitation thermique d'une molécule

La température représente l'agitation des atomes ou molécules qui composent la matière solide. Plus la température est élevée, plus les atomes ou molécules s'agitent autour de leur position. Cette agitation se propage de proche en proche, créant le phénomène de conduction de la chaleur.

Dans les polymères, les molécules sont articulées, cette souplesse empêche l'agitation de se transmettre de proche en proche (il faut de la rigidité pour transmettre un mouvement). Cela explique que les polymères sont des isolants thermiques.

Les liaisons étant des liaisons covalentes, les électrons sont partagés entre deux atomes. De fait, les électrons sont peu mobiles, ils ne peuvent pas circuler dans la chaîne. Cela explique que les polymères sont des isolants électriques.

Cristaux[modifier | modifier le wikicode]

Organisation des atomes et forme extérieure
Monocristal de lysozyme, une protéine

Un cristal est un empilement d'atomes ou de molécules qui est :

  • régulier ;
  • infini (ou tout du moins très grand devant la dimension de l'atome ou de la molécule).

L'organisation des atomes dans un cristal explique :

  • le fait que les faces des minéraux sont lisses, la taille des pierres précieuses par clivage ;
  • la symétrie des formes des cristaux ;
  • la rigidité et la dureté de la structure : les atomes sont « carré » et ne peuvent pas se placer n’importe où.

Dans une molécule, les atomes se partagent un ou plusieurs électrons à deux ; c’est la liaison covalente. Dans le cas d'un cristal métallique, les atomes se partagent des électrons « à tous », chaque atome met un ou plusieurs électrons « à disposition de la communauté » ; c’est la liaison métallique. Ces électrons « libres » peuvent circuler facilement d'un atome à l'autre, ce qui explique que les métaux sont d'excellents conducteurs électriques.

Alternance d'anions et de cations dans un cristal ionique

Un cristal ionique (sel) est composé d'anions, de charge négative (-), et de cations, de charge positive (+). On a une alternance + - + - + … qui permet d'assurer la stabilité du cristal, puisque les charges de signe opposé s'attirent et que les charges de même signe se repoussent. Cette alternance explique :

  • la neutralité électrique du cristal : on a autant de charges + que de charges - ;
  • l'extrême rigidité et dureté de la structure : si l’on peut permuter deux atomes dans un cristal atomique, on ne peut pas permuter deux ions voisins puisque l’on aurait + - - + + ;
  • la fragilité des cristaux ioniques : ils n'y a pas de possibilité d'adaptation puisque les emplacement des ions sont très contraintes.
Conduction thermique dans un cristal par propagation de l'agitation des atomes de proche en proche

Dans un cristal, les atomes ou molécules sont très liés entre eux. La conductivité thermique dépend donc de l'élasticité entre les atomes ou molécules ; les métaux sont d'excellent conducteurs thermiques tandis que les céramiques, très rigides, en sont de très mauvais.