Plan présentation de cours du chapitre V
Chapitre V: Cristaux covalents (2H)
V-1- Cristaux macro-covalents V-2- Cristaux moléculaires
Il s’agit d’un cristal formé d’atomes liés entre eux par des liaisons covalentes. Ils ont des très hauts points de fusion. Ce sont les plus durs de toutes substances.
On étudie l’exemple du carbone qui existe sous plusieurs formes allotropiques parmi lesquelles le diamant et le graphite. Ces assemblages correspondent à des empilements non compacts.
V-1- Les cristaux macro-covalents
Il existe d’autres variétés allotropiques du carbone, comme les nanotubes ou les fullerènes. La différence entre les deux molécules étudiées ici tient précisément à la géométrie des atomes de carbone, selon la méthode VSEPR.
Rappelons que le carbone est tétravalent, c’est-à-dire qu’il peut former quatre liaisons covalentes.
La cohésion du cristal est assurée par des liaisons covalentes. Nous allons présenter deux variétés allotropiques du carbone solide : diamant et graphite.
V-1- Les cristaux macro-covalents
Structures du Carbone diamant:
Description de la maille
une forme métastable dans les CNTP, le diamant : la maille élémentaire est un cube de côté = 356 pm, comportant des atomes à chaque sommet du cube, au � centre de chaque face, et aux coordonnées (¼, ¼, ¼), (¼, 3/4, 3/4), (3/4, ¼, 3/4) et (3/4, 3/4, ¼).
V-3- Les cristaux macro-covalents
Structures du Carbone diamant:
Multiplicité :
8×+ 6× + 4×1 = 8 atomes de carbone par maille.
Coordinence :
Chaque atome de carbone a un environnement tétraédrique de quatre carbones (VSEPR AX4) : la distance entre deux atomes tangents est dC-C = 154pm= 2rC = 2×77pm et l’angle entre atomes de carbone vaut 109°. La coordinence est donc de 4 (site tétraédrique)
Relation entre rC et a
Le contact entre deux atomes de carbone se fait au niveau de la diagonale du cube d’arête a/2 : 4r =
V-1- Les cristaux macro-covalents
Compacité C==
soit après calcul C=0,34. Cette structure est peu compacte comparée aux métaux.
Masse volumique ρ = =
soit avec MC =12 g /mol, il vient : ρ = 3547 kg/m3 soit une densité de d= = 3,547.
Autres structures covalentes de type diamant : silicium.
Propriétés électriques Les électrons de liaison sont localisées entre les noyaux des atomes liés. Par conséquent, ils ne peuvent pas se déplacer sur l’ensemble du cristal et le solide correspond à un isolant.
V-1- Les cristaux macro-covalents
Description de la maille: une forme stable dans les CNTP, le graphite. Le carbone graphite se présente sous forme d’un assemblage de feuillets, parallèles distants de 335 pm. Dans un feuillet, les atomes de carbone, de type trigonal (VSEPR AX3), il peut être considéré comme une macromolécule plane où les atomes de carbone sont disposés selon des hexagones accolés (structure en nid d’abeille). La distance entre deux atomes de carbone dans un feuillet est de (dC-C =�=a=142 pm) et l’angle entre atomes de carbone vaut 120°. Les liaisons entre les atomes des feuillets sont fortes contrairement aux interactions entre ces feuillets qui sont faibles (Van der Waals). Ils peuvent donc glisser les uns par rapport aux autres (exemple des mines de crayon : les feuillets se détachent pour noircir le papier).
V-1-2- Structures du Carbone graphite
V-1- Les cristaux macro-covalents
V-1- Les cristaux macro-covalents
V-1- Les cristaux macro-covalents
Structures du Carbone graphite:
Multiplicité :
2(4×+4× + 1×1) = 4 atomes de carbone par maille.
Coordinence :
Chaque atome de carbone a un environnement trigonale de trois carbones (VSEPR AX3) : la distance entre deux atomes tangents est dC-C = 142 pm= 2rC = 2×71 pm et l’angle entre atomes de carbone vaut 120°. La coordinence est donc de 3 (site trigonale)
Relation entre rC et a
Sur le dessin, d = dC-C =142 pm et c = dA-B = 335 pm.
Par construction a=b = d = 246 pm (même calcul que pour la structure V-1- Les cristaux macro-covalents
Compacité C==
soit après calcul C=0,34. Cette structure a la même compacité que le carbone diamant.
Masse volumique ρ = =
soit avec MC = 12 g/mol il vient : ρ = 4600 kg/m3 soit une densité de d= = 4,6.
Propriétés électriques
Contrairement au carbone diamant, au niveau des feuillets, il existe des électrons délocalisés qui peuvent se déplacer sous l’action d’un champ électrique extérieur. Ainsi le carbone graphite est un assez bon conducteur.
V-1- Les cristaux macro-covalents
Les solides Cristallins moléculaires
Les cristaux moléculaires sont des cristaux formés à partir de motifs qui sont des molécules. Ils sont rares dans l’état standard, à l’exception de l’exemple au programme, la glace; On distingue deux types de cristaux moléculaires (les exemples les plus simples sont les gaz nobles, le dioxygène, dioxyde de carbone, diode, etc.) selon la nature des liaisons intermoléculaires mises en jeu :
- Cristaux moléculaires de Van der Waals (interaction électrostatique) Exemples : le diode (I
2) et le dioxyde de carbone (CO
2).
V-2- Les cristaux moléculaires
V-2- Les cristaux moléculaires
- Cristaux moléculaires à liaison hydrogène (interaction électrostatique plus forte que celle de Van der Waals) Exemple : la glace (eau solide) qui présente de nombreuses variétés allotropiques suivant les conditions de température et de pression. L’une de ses variétés ( Glace- I
C) correspond à une maille type diamant : réseau c.f.c. des oxygènes avec la moitié des sites tétraédriques occupés par les oxygènes. Les hydrogènes pointent vers les sommets des cubes d’arête a/2 auxquels ils sont liés soit par des liaisons covalentes, soit par des liaisons hydrogènes.
V-2- Les cristaux moléculaires
V-2- Les cristaux moléculaires
- Cristaux moléculaires à liaison hydrogène (interaction électrostatique plus forte que celle de Van der Waals) Exemple : la glace (eau solide) qui présente de nombreuses variétés allotropiques suivant les conditions de température et de pression. L’une de ses variétés (Glace-IC) correspond à une maille type diamant : réseau c.f.c. des oxygènes avec la moitié des sites tétraédriques occupés par les oxygènes. Les hydrogènes pointent vers les sommets des cubes d’arête a/2 auxquels ils sont liés soit par des liaisons covalentes, soit par des
V-2- Les cristaux moléculaires
Glace-Ih: Les atomes d’oxygène occupent toutes les positions des atomes d’une maille élémentaire de type hexagonal compact (HC), de paramètres et , � � � étant la hauteur de la maille. La maille élémentaire utilisée pour décrire ce cristal est un prisme droit à base losange d’angle 60°. Le motif est le suivant :
