Fiche de révision : Relation structure-propriétés des matériaux

📋 Plan du Cours

1. Structure au-delà de la composition
2. Allotropie polymorphisme et isomérie
3. Allotropes du carbone
4. Polymorphes du sulfure de zinc
5. Symétrie et principe de Curie

📖 1. Structure au-delà de la composition

📝 Points essentiels

• Le carbone possède le numéro atomique Z=6, appartient au groupe 14 et se situe dans la deuxième période.

📌 Une même composition chimique peut correspondre à différentes formules, à différents groupes d’espace, à différents paramètres de maille et à différents volumes.

💡 Astuce mémo

Même composition ≠ même structure

📖 2. Allotropie polymorphisme et isomérie

🔑 Notions clés & Définitions

• Allotropie : Faculté de certains corps simples d’exister sous plusieurs formes cristallines ou moléculaires différentes.
• Polymorphisme : Possibilité pour des corps composés de présenter différentes formes cristallines par organisation des mêmes atomes dans différentes variétés cristallines.
• Isomérie : Existence de différentes formes moléculaires.

💡 Astuce mémo

Corps simples : allotropie ; corps composés : polymorphisme ; molécules : isomérie

📖 3. Allotropes du carbone

★ À maîtriser

📌 Le diamant est un allotrope du carbone constitué par un assemblage de tétraèdres avec une coordination 4, tandis que le graphite est constitué par un assemblage d’hexagones avec une coordination 3.

• Le diamant est un isolant électrique et un conducteur thermique.

• Le graphite est conducteur électrique et thermique dans son plan, mais isolant électrique et thermique hors de son plan.

Compléments

• Le fullerène est un allotrope du carbone constitué par un assemblage d’hexagones et de pentagones avec une coordination 3.

• La conductivité électrique du fullerène peut devenir supraconductrice suivant sa structure.

• La structure du graphite est documentée notamment par Kukesh et Pauling dans « The problem of the graphite structure » (1950), par Trucano et Chen dans « Structure of graphite by neutron diffraction » (1975) et par Hassel dans « Ueber die Kristallstruktur des Graphits » (1924).

💡 Astuce mémo

Un tétraèdre pour le diamant, des hexagones en couches pour le graphite, des hexagones et pentagones pour le fullerène

📖 4. Polymorphes du sulfure de zinc

★ À maîtriser

📌 La wurtzite et la blende, ou sphalérite, sont deux polymorphes du ZnS présentant une coordination tétraédrique.

• Les polymorphes wurtzite et blende du ZnS sont des semi-conducteurs à large gap.

• Le gap énergétique vaut Eg=3,54 eV pour la wurtzite et Eg=3,91 eV pour la blende.

Compléments

• La température de transition entre les formes polymorphes du ZnS est d’environ 1020 °C.

💡 Astuce mémo

Wurtzite et blende : deux arrangements tétraédriques du ZnS

📖 5. Symétrie et principe de Curie

🔑 Notions clés & Définitions

• Principe de Curie : R. E. Newnham, Properties of Materials, 2005 — Affirme que lorsque certaines causes produisent certains effets, les éléments de symétrie des causes doivent se retrouver dans les effets produits.

★ À maîtriser

• 🔄 L’analyse considère successivement: la symétrie du matériau, la symétrie de la sollicitation, la symétrie de la réponse, la symétrie de la propriété physique reliant la sollicitation à la réponse

• Les arguments de symétrie permettent de déterminer quelles propriétés sont absentes parce qu’elles sont interdites par symétrie, mais ils ne donnent aucune indication sur la taille de l’effet.

• La polarisation diélectrique existe dans tous les matériaux, tandis que la piézoélectricité nécessite un groupe ponctuel sans centre d’inversion.

• Dans une pérovskite, la structure cubique possède trois directions équivalentes et des faces toutes identiques, tandis que la structure tétragonale possède deux directions équivalentes et une troisième différente, avec quatre faces identiques et deux faces différentes.

Compléments

• La pyroélectricité correspond à une polarisation électrique spontanée qui varie avec la température et exige un groupe ponctuel dont chaque élément de symétrie laisse plus qu’un point inchangé.

• La ferroélectricité correspond à une polarisation électrique qui peut être réorientée sous l’action d’un champ électrique.

💡 Astuce mémo

Symétrie des causes → symétrie des effets → propriétés permises ou interdites

📊 Tableaux de synthèse

Allotropes du carbone