1. L'état cristallin : Quelques propriétés
La matière existe principalement sous trois états : solide, liquide et gazeux.
Un solide peut se caractériser par sa formule chimique, mais aussi par la disposition de ses entités les unes par rapport aux autres.
Exemple : Le chlorure de sodium solide est constitué d'un empilement régulier d'ions : c'est l'état cristallin.
Structure cristalline
Une structure cristalline est définie par une maille élémentaire répétée périodiquement.
Un cristal est défini par :
- La forme géométrique de la maille
- La nature des entités qui le constituent
- La position de ces entités dans la maille
Systèmes cristallins
Il existe 7 types de mailles (systèmes cristallins) :
Cubique
Quadratique
Orthorhombique
Hexagonal
Rhomboédrique
Monoclinique
Triclinique
Les cristaux les plus simples peuvent être décrits par une maille cubique.
Multiplicité et compacité
Multiplicité Z : Nombre d'atomes contenus dans une maille élémentaire.
Compacité C : Mesure l'occupation du volume de la maille par atome.
C = Vatomes / Vmaille
Masse volumique d'un cristal cubique
ρ = (Z × m(atome)) / a³
Avec :
- Z : multiplicité de la maille
- m(atome) : masse d'un atome (kg)
- a : longueur de l'arête de la maille cubique (m)
- ρ : masse volumique (kg/m³)
Comparaison des structures cubiques
| Caractéristique | Structure cubique simple | Structure cubique à faces centrées |
|---|---|---|
| Nombre d'entités par maille | 1 | 4 |
| Compacité (entités sphériques tangentes) | 0,52 | 0,74 |
| Masse volumique ρ | ρ = m / a³ | ρ = (4 × m) / a³ |
La structure à l'échelle nanométrique du cristal conditionne certaines de ses propriétés macroscopiques, dont sa masse volumique.
2. Différentes échelles d'organisation de l'état solide
Un composé de formule chimique donnée peut cristalliser sous différents types de structures qui ont des propriétés macroscopiques différentes.
Les minéraux se caractérisent par leur composition chimique et leur organisation cristalline.
Une roche est formée par l'association d'un ou de plusieurs minéraux.
Exemple : Le granite est formé de minéraux comme le quartz, les micas et les feldspaths.
Des structures cristallines existent aussi dans les organismes biologiques (coquille, squelette, calcul rénal, etc.).
3. Des solides sans ordre géométrique
Dans le cas des solides amorphes, l'empilement d'entités se fait sans ordre géométrique.
Exemple : Le verre est un solide amorphe. Certaines roches volcaniques contiennent du verre, issu de la solidification très rapide d'une lave.