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Sommaire: L'état solide

• Types de solide
• Cristaux
  • Réseau cristallin
  • Maille élémentaire
  • Figure de diffraction
  • Classement des cristaux
  • Solides ioniques
    • Entité formulaire
  • Solides moléculaires
  • Solides covalents
    • Forme allotropique
  • Solides métalliques

L'état solide

Types de solide

• Les solides peuvent être subdivisée en deux catégories:

  • Dans un solide cristallin (ou cristal), les atomes, ions ou molécules sont ordonnés en réseau. Ils ont typiquement des surfaces planes bien définies — ce qu’on appelle des faces cristallines.
    Exemples: Le sel de cuisine, le quartz

  • Dans un solide amorphe ou vitreux, les atomes, ions ou molécules sont plus désordonnés. Il s’agit en quelque sorte, d’un état liquide figé. Les solides amorphes n’ont de faces bien définies que s’ils sont moulés ou coupés.
    Exemple: Le beurre, le caoutchouc, le verre, de nombreux plastiques.

• Ce n’est pas une question de composition mais bien d’organisation. Par exemple, le quartz est une forme cristalline de la silice (SiO₂). Mais lorsqu’elle est fondue, elle devient un solide amorphe: du verre.

  

Cristaux

Réseau cristallin

• L’arrangement des atomes, molécules ou ions dans un cristal est appelé un réseau cristallin.

Maille élémentaire

• On appelle maille élémentaire l’unité représentative du réseau cristallin,
  la répétition de cette maille élémentaire en 3 dimensions permet de reconstruire le réseau cristallin.
  La taille des atomes est souvent réduite par rapport à la taille des liaisons par souci de clarté (à gauche):
  en réalité, l’empilement est compact (à droite).

  

Figure de diffraction

• Lorsqu’un faisceau de rayons X traverse un cristal, la présence de rangées d’atomes régulièrement ordonnées engendre une figure de diffraction caractéristique. La diffraction des rayons X va ainsi permettre de déterminer l’arrangement d’un réseau cristallin.

  

  La photo ci-dessous est historique, il s’agit de la figure de diffraction de l’ADN (enregistrée par Rosalind Franklin). Cet ensemble de taches a permis à Watson & Crick d’élucider la structure en double hélice de l’ADN et d’obtenir un prix Nobel.

  

Classement des cristaux

• Les cristaux peuvent être classés selon la nature des particules qui les constituent
  et des forces qui unissent ces particules:

  1. Solides ioniques: ions positifs et négatifs
  2. Solides moléculaires: molécules — forces de Van Der Waals
  3. Solides covalents: “molécules géantes”
  4. Solides métalliques: cations et “mer” d’électrons de valence

Solides ioniques

• Les solides ioniques sont durs, rigides et cassants.

• Ils sont constitués de cations et d’anions, maintenus par un réseau par l’attraction mutuelle des charges opposées.
  Les liaisons étant relativement fortes, ils sont solides à 20°C et 1atm, et ils ont une température de fusion et d’ébulition élevées.

• À l’état liquide, ce sont des électrolytes — des substances conductrices du courant électrique.
  Solus dans l’eau, ils rendent la solution conductrice.

• Exemple: Sel de cuisine (NaCl)

Entité formulaire

• Dans un solide cristallin, on a pas vraiment de molécules individuelles, chaque cation est lié à plusieurs anions et vice-versa.
  La formule NaCl ne représente donc pas une molécule individuelle mais nous indique la proportion de cations Na⁺ et d’anions Cl^- dans le solide: c’est ce qu’on appelle une entité formulaire.

Solides moléculaires

• Les solides moléculaires sont un assemblage de molécules
  maintenues ensemble par des forces intermoléculaires.

• Dans le cas des forces de Van der Walls:
  La nature et l’intensité de ces forces dépendent de la polarité de ces molécules mais dans tous les cas, elles restent plus faibles que dans les cristaux ioniques: la température de fusion et d’ébulition est donc plus faible.

  Exemple: Glace (H₂O)

• Dans le cas des forces de London:
  Les forces sont faibles et ces solides passent directement de l’état solide à gazeux.

  Exemple: Carboglace (CO₂)

Solides covalents

• Les solides covalents sont un assemblage de particules maintenues ensemble par de fortes liaisons covalentes.
  Un solide covalent est en quelque sorte une molécule géante.

• Exemple: Diamant (C)

Forme allotropique

• La graphite (qu’on utilise pour la mine des crayons) et le diamant sont tous deux des solides covalents uniquement constitués de carbone. La différence réside dans l’agencement spatial des atomes: une géométrie tétraédrique pour le diamant, et des feuillets hexagonaux pour la graphite.

  C’est ce qu’on appelle deux formes allotropiques du carbone: des substances ayant toute deux la formule chimique, dans le même état de matière, mais ayant une géométrie différente, ce qui leur donne des propriétés différentes.

Solides métalliques

• Les solides métalliques sont constitués d’un réseau de cations métalliques
  maintenus par les interactions électrostatiques des électrons de valence.

• Ce sont des conducteurs thermiques et électriques.

• Ils sont brillants, et certains d’entre eux sont malléables et ductiles.

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