QCM : Propriétés des solides inorganiques — 65 questions

Explication

Un matériau est un solide mis en forme et assemblé afin de constituer des objets macroscopiques possédant des propriétés d’usage. L’ensemble d’atomes isolés ne correspond pas à cette définition fonctionnelle et industrielle.

Explication

La classification des matériaux peut reposer sur leur composition chimique, leur structure atomique ou leurs propriétés. La couleur et l’origine géographique peuvent être observées en pratique, mais elles ne constituent pas les critères fondamentaux indiqués ici.

Explication

Les propriétés dépendent des phases solides constitutives, de la microstructure et de la distribution spatiale des phases, en particulier dans les composites. La masse totale ne suffit donc pas à expliquer les différences de comportement.

Explication

Des liaisons interatomiques plus énergétiques nécessitent davantage d’énergie pour être rompues, ce qui élève la température de fusion. Une liaison faible tend au contraire à être associée à une température de fusion plus basse.

Explication

L’électronégativité mesure le pouvoir d’un atome à capter un électron lorsqu’il participe à une liaison chimique. La conductivité électrique et la déformation d’un réseau décrivent d’autres propriétés.

Explication

La polarisabilité exprime la facilité avec laquelle une entité se polarise lorsqu’elle est soumise à un champ électrique. Le transfert d’électrons relève plutôt de la formation d’une liaison ionique.

Explication

Une liaison covalente se forme par mise en commun d’un ou plusieurs électrons entre des éléments d’électronégativités similaires. Le transfert d’électrons caractérise plutôt la liaison ionique, tandis que la délocalisation concerne la liaison métallique.

Explication

La liaison ionique résulte du transfert d’électrons de valence d’un atome donneur vers un atome receveur dont l’électronégativité est très différente. Le partage d’électrons correspond à la liaison covalente, tandis que les deux autres descriptions concernent d’autres interactions.

Explication

La relation $E=\frac{\sigma}{\varepsilon}$ donne ici $E=\frac{120\,\text{MPa}}{0{,}002}=60\,000\,\text{MPa}=60\,\text{GPa}$. La ténacité ne se calcule pas avec ce rapport et décrit plutôt l’absorption d’énergie avant rupture ou la résistance à la propagation d’une fissure.

Explication

La rigidité est la résistance à une déformation élastique, laquelle disparaît après suppression des contraintes. La ductilité concerne la déformation plastique avant rupture, tandis que la résilience concerne l’absorption d’un choc.

Explication

La ténacité décrit l’aptitude à absorber de l’énergie avant la rupture ou à s’opposer à la propagation d’une fissure, avec une unité exprimée en Pa·m½. La rigidité concerne la déformation élastique, tandis que la dureté concerne la surface.

Explication

La ductilité mesure la déformation plastique atteinte avant la rupture, alors qu’un matériau fragile présente une déformation très faible ou inexistante avant de rompre. L’absorption d’un choc relève de la résilience et la résistance à l’abrasion de la dureté.

Explication

La loi d’Ohm donne $U=RI$, donc $U=5\times2=10\,\mathrm{V}$. La résistance et le courant ne sont pas combinés par une soustraction ou une division dans cette relation.

Explication

La relation $R=\rho\frac{l}{S}$ montre que la résistance est proportionnelle à la longueur lorsque la résistivité et la section restent constantes. Une variation de la section produirait l’effet inverse sur la résistance.

Explication

Les conducteurs conduisent fortement, les isolants ou diélectriques très peu, et les semi-conducteurs se situent entre ces deux catégories. Confondre l’isolant et le conducteur inverse précisément leurs propriétés électriques.

Explication

La capacité thermique molaire quantifie l’énergie requise pour élever de $1\,\mathrm{K}$ la température d’une mole et s’exprime en $\mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}$. La conductivité thermique décrit plutôt la transmission de la chaleur dans le matériau.

Explication

Dans un solide, la chaleur se propage principalement par diffusion ou par conduction de phonons et d’électrons, sans flux global de matière. La convection repose au contraire sur le déplacement d’un fluide ou d’une matière.

Explication

La conductivité thermique totale est la somme des deux contributions : $\lambda=\lambda_e+\lambda_p=3+7=10\,\mathrm{W\,m^{-1}\,K^{-1}}$. Les contributions ne se multiplient pas et ne se divisent pas entre elles.

Explication

On applique $\alpha=\frac{l_f-l_0}{l_0(T_f-T_0)}$, soit $\alpha=\frac{0{,}002}{1{,}00\times20}=1{,}0\times10^{-4}\,\mathrm{K^{-1}}$. La variation de longueur doit être rapportée à la longueur initiale et à l’écart de température.

Explication

Un matériau translucide laisse passer la lumière, mais sa transmission est diffuse. Un matériau transparent transmet avec une faible absorption et un matériau opaque ne laisse pas passer la lumière visible.

Explication

Le bilan d’intensité est $I_0=I_T+I_A+I_R$, donc $I_A=100-60-15=25\,\mathrm{W\,m^{-2}}$. L’intensité réfléchie ne correspond pas à l’intensité absorbée, même si les deux sont retirées du faisceau transmis.

Explication

L’indice de réfraction est défini par $n=\frac{c}{v}$, donc $n=\frac{3{,}0\times10^8}{2{,}0\times10^8}=1{,}5$. L’absorbance décrit l’atténuation de l’intensité et ne donne pas directement cet indice.

Explication

Le ferromagnétisme correspond à l’alignement des moments magnétiques, ce qui peut maintenir une forte aimantation même lorsque le champ extérieur est supprimé. Une orientation aléatoire ou une réponse faible décrit d’autres comportements magnétiques.

Explication

Les défauts cristallins sont classés selon leur dimension géométrique, de zéro à trois dimensions. Les autres classifications proposées ne correspondent pas à cette typologie dimensionnelle.

Explication

Un défaut de Frenkel comporte une lacune et un atome déplacé en position interstitielle, tandis qu’un défaut de Schottky comporte une lacune cationique et une lacune anionique. La confusion la plus courante consiste à intervertir ces deux associations.

Explication

Une dislocation est une distorsion locale du réseau cristallin située sur une rangée d’atomes, et son déplacement intervient dans la plasticité. Une zone de contact entre cristaux différents correspond plutôt à un joint de grain.

Explication

La bande de valence est la bande de plus haute énergie occupée, alors que la bande de conduction est la bande de plus basse énergie vide d’électrons dans la description présentée. Les autres réponses inversent ces rôles ou confondent les bandes avec des défauts structuraux.

Explication

Les isolants possèdent une résistivité très élevée, comprise entre $10^8$ et $10^{16}\ \Omega\cdot m$, tandis que les conducteurs ont une résistivité inférieure à $10^{-6}\ \Omega\cdot m$. La deuxième proposition inverse précisément les caractéristiques des deux familles.

Explication

Un semi-conducteur intrinsèque est dépourvu d’impuretés ajoutées et n’est pas dopé. La présence d’atomes donneurs ou accepteurs décrit un semi-conducteur extrinsèque.

Explication

L’augmentation de température fournit à certains électrons assez d’énergie pour se libérer de leurs liaisons et circuler, ce qui diminue la résistivité. L’effet est donc opposé à la tendance généralement observée dans un métal, où les défauts thermiques accroissent la résistivité.

Explication

L’atome de valence 5 fournit un électron excédentaire au réseau, ce qui produit un semi-conducteur extrinsèque de type n. Le type p est associé à l’introduction d’un atome possédant trois électrons de valence.

Explication

La ferroélectricité correspond à une polarisation spontanée d’un matériau diélectrique sans champ électrique appliqué et s’accompagne d’une constante diélectrique très élevée. Une polarisation due à une contrainte relève de la piézoélectricité directe.

Explication

L’effet direct fait apparaître une polarisation lorsqu’une contrainte mécanique est appliquée, tandis que l’effet inverse, appelé effet Lippmann, produit une déformation sous l’action d’un champ électrique. Les autres couples de transformations ne correspondent pas à la distinction piézoélectrique.

Explication

La piézoélectricité exige des liaisons polarisées, l’absence de centre de symétrie et une capacité de déformation mécanique. Une structure centrosymétrique empêche précisément l’apparition de la polarisation piézoélectrique recherchée.

Explication

La règle de Cohen indique que, lors du frottement, le matériau possédant la constante diélectrique la plus élevée devient positif. La constante diélectrique la plus faible ne désigne donc pas le matériau qui prend la charge positive.

Explication

L’induction magnétique $B$ décrit l’intensité du champ magnétique dans le matériau et s’exprime en teslas. Le champ $H$ correspond plutôt à l’intensité du champ magnétique appliqué, tandis que $M$ et $\mu$ désignent d’autres grandeurs.

Explication

Dans un matériau magnétique, l’induction est donnée par le produit de la perméabilité et du champ appliqué, soit $B=\mu H$. La division ou l’addition de $H$ et $\mu$ ne correspond pas à la relation constitutive indiquée.

Explication

L’aimantation $M$ résulte de l’alignement des moments magnétiques et renforce le champ dans le matériau, alors que $H$ est le champ extérieur appliqué. Les autres associations confondent ces grandeurs avec la perméabilité, l’induction ou des paramètres d’hystérésis.

Explication

Au-delà de $T_c$, l’agitation thermique empêche l’ordre ferromagnétique et le matériau devient paramagnétique. Il ne perd donc pas toute réponse magnétique et ne devient pas diamagnétique.

Explication

Un domaine de Weiss est une région tridimensionnelle où les moments magnétiques atomiques sont alignés, ce qui produit une aimantation locale maximale. L’aimantation macroscopique peut toutefois être faible si plusieurs domaines ont des orientations différentes.

Explication

L’hystérésis se manifeste par un parcours de désaimantation qui ne reprend pas la courbe initiale lorsque l’induction diminue après saturation. Les autres propositions décrivent des comportements qui ne définissent pas l’hystérésis magnétique.

Explication

L’induction rémanente $B_r$ est la valeur de $B$ lorsque le champ est ramené à zéro, tandis que le champ coercitif $H_c$ est le champ opposé requis pour annuler $B$. La confusion fréquente consiste à attribuer à $B_r$ la nature d’un champ et à $H_c$ celle d’une induction.

Explication

Les matériaux magnétiques doux se distinguent par de faibles pertes d’énergie au cours des cycles d’aimantation, contrairement aux matériaux durs. Les autres différences proposées concernent des propriétés qui ne définissent pas cette distinction.

Explication

Des coefficients de dilatation très différents provoquent des déformations incompatibles lors des variations de température, ce qui peut générer des contraintes, une résorption osseuse et l’échec de l’implant. Des coefficients proches limitent au contraire ces contraintes.

Explication

Lorsqu’il est empêché de se dilater, le matériau chauffé subit une compression ; lorsqu’il est empêché de se contracter, le matériau refroidi subit une traction. Inverser ces effets conduit à une interprétation erronée des contraintes thermiques.

Explication

Un choc thermique correspond à une variation brusque de température imposée à un matériau, et la résistance à la rupture fragile associée est appelée résistance au choc thermique. La conductibilité thermique et la limite d’élasticité sont des propriétés différentes.

Explication

Une bonne résistance au choc thermique associe une résistance à la rupture élevée, une conductibilité thermique élevée, un faible module d’élasticité et un faible coefficient de dilatation. Les autres combinaisons remplacent au moins une de ces caractéristiques par une tendance défavorable.

Explication

Les polymères peuvent subir une dégradation, une dissolution, un gonflement ou une altération moléculaire. La dissolution et l’oxydation décrivent plutôt les métaux, tandis que la corrosion à température élevée ou en milieu extrême concerne les céramiques.

Explication

La corrosion métallique commence généralement à la surface et implique l’oxydation des atomes métalliques, qui perdent des électrons. Le gain d’électrons correspond à une réduction et ne décrit pas le phénomène initial du métal corrodé.

Explication

À l’anode, le métal s’oxyde et libère des électrons, qui sont transférés vers une espèce chimique se réduisant à la cathode. La réduction se produit donc à la cathode, et l’oxydation à l’anode.

Explication

La protection cathodique fournit des électrons au métal à protéger afin de le transformer en cathode, tandis qu’un métal plus réactif s’oxyde comme anode sacrificielle. Le métal protégé n’est donc pas celui qui subit l’oxydation principale.

Explication

L’absorptivité est la fraction du rayonnement incident absorbée par le verre, et l’énergie absorbée devient de la chaleur. La fraction traversant le verre correspond à la transmissivité, tandis que la fraction renvoyée correspond à la réflectivité.

Explication

Une surface lisse produit une réflexion spéculaire avec un rayon réfléchi unique, alors qu’une interface irrégulière diffuse l’énergie dans de nombreuses directions. La répartition multidirectionnelle est donc associée à la réflexion diffuse.

Explication

La transmissivité, la réflectivité et l’absorptivité représentent les parts complémentaires du rayonnement incident et leur somme vaut $1$. Une relation multiplicative ou une soustraction de l’absorptivité ne respecte pas ce bilan énergétique.

Explication

La déformation plastique est permanente et résulte, dans les solides cristallins, du déplacement collectif d’atomes et souvent de dislocations. Une déformation réversible relève plutôt du comportement élastique, tandis que les autres propositions décrivent des phénomènes thermiques ou optiques.

Explication

La transparence est favorisée lorsque la taille des grains est bien inférieure à la longueur d’onde de la lumière ou lorsque le contraste d’indice est faible. Des grains plus grands ou un contraste d’indice élevé renforcent la diffusion et diminuent la transparence.

Explication

Un rapport proche de $1$ signifie que les deux indices de réfraction sont proches, ce qui réduit la diffusion aux interfaces. Un fort contraste d’indice produirait au contraire une diffusion plus importante, et l’absorption n’est pas définie par ce rapport.

Explication

La déformation plastique reste présente après le retrait de la contrainte, car elle correspond à un déplacement durable d’un grand nombre d’atomes. La déformation élastique, en revanche, est réversible et ne laisse pas de changement permanent de forme.

Explication

À l’échelle microscopique, les liaisons interatomiques se rompent puis se reforment dans de nouvelles configurations, ce qui permet une déformation permanente. Une simple déformation élastique ne repose pas sur ce réarrangement durable des liaisons.

Explication

La déformation plastique des solides cristallins implique très souvent le déplacement des dislocations, qui facilite le glissement des plans atomiques. La fusion des grains ou la vaporisation des atomes ne constitue pas le mécanisme habituel décrit ici.

Explication

L’écrouissage augmente la dureté et la résistance du métal pendant la déformation plastique, alors que sa ductilité diminue. Il ne rend donc pas le métal plus apte à subir de grandes déformations supplémentaires.

Explication

L’écrouissage élève la limite d’élasticité et la résistance à la traction, tandis que la ductilité, évaluée par l’allongement à la rupture, diminue. L’augmentation de l’allongement à la rupture correspond donc à l’effet opposé.

Explication

Les atomes d’impureté en solution solide déforment localement le réseau cristallin des atomes hôtes, ce qui gêne la déformation et renforce l’alliage. La formation d’un matériau amorphe ou la rigidification parfaite des liaisons ne décrit pas ce mécanisme.

Explication

L’ajout d’impuretés au cuivre peut modifier sa résistance à la traction, sa limite d’élasticité et sa ductilité. Les autres groupes de propriétés proposés ne correspondent pas aux effets mécaniques explicitement associés au renforcement par impuretés.

Explication

Le cupro-nickel, aussi nommé argentan, cuivre blanc ou minargent, est un alliage formé notamment par ajout de nickel au cuivre. Le cuivre pur ne contient pas cet ajout et les deux autres matériaux ne sont pas l’exemple indiqué.