Un solide cristallin est un type de solide dont la structure tridimensionnelle fondamentale consiste en un motif très régulier d'atomes ou de molécules, formant un réseau cristallin. La majorité des solides sont des solides cristallins, et les différents arrangements d'atomes et de molécules qu'ils contiennent peuvent modifier leurs propriétés et leur apparence.
Qu'est-ce qu'un solide ?
Un solide est un état de la matière dans lequel la substance garde sa forme et maintient un volume constant. Cela rend un solide distinct des liquides ou des gaz; les liquides conservent un volume constant mais prennent la forme de leur contenant, et les gaz prennent la forme et volume de leur contenant.
Les atomes et les molécules d'un solide peuvent être disposés selon un motif régulier, ce qui en fait un solide cristallin, ou être disposés sans motif, ce qui en fait un solide amorphe.
Structure cristalline
Les atomes ou les molécules d'un cristal forment un motif périodique ou répétitif dans les trois dimensions. Cela rend la structure interne d'un cristal
La plus petite unité du motif structurel est appelée un cellule unitaire. Un cristal est composé de ces cellules unitaires identiques répétées encore et encore dans les trois dimensions. Cette cellule est le composant le plus fondamental de la structure du cristal et détermine certaines de ses propriétés. Il détermine également le motif qu'un scientifique voit lorsqu'il regarde le cristal à l'aide de la diffraction des rayons X, ce qui peut les aider à identifier la structure et la composition du cristal.
Les positions des atomes ou des molécules qui composent la maille élémentaire sont appelées points du réseau.
Cristallisation et changements de phase
Lorsqu'un liquide refroidit jusqu'à son point de congélation, il devient solide dans un processus appelé précipitation. Lorsqu'une substance précipite en une structure cristalline régulière, on parle de cristallisation.
La cristallisation commence par un processus appelé nucléation: les atomes ou les molécules se regroupent. Lorsque ces amas sont suffisamment stables et suffisamment grands, la croissance cristalline commence. La nucléation peut parfois être plus facilement déclenchée en utilisant des germes cristallins (amas préfabriqués) ou une surface rugueuse, ce qui favorise la formation d'amas.
Un matériau atomique ou moléculaire donné peut être capable de former plusieurs structures cristallines. La structure dans laquelle le matériau cristallise dépendra de certains paramètres au cours du processus de cristallisation, notamment la température, la pression et la présence d'impuretés.
Types de solides cristallins
Il y a quatre types principaux de solides cristallins: ionique, réseau covalent, métallique et moléculaire. Ils se distinguent les uns des autres en fonction des atomes ou des molécules dont ils sont constitués et de la manière dont ces atomes ou molécules sont liés les uns aux autres.
Le motif répétitif dans la structure des cristaux ioniques est constitué d'une alternance de cations chargés positivement avec des anions chargés négativement. Ces ions peuvent être des atomes ou des molécules. Les cristaux ioniques sont généralement cassants, avec des points de fusion élevés.
En tant que solides, ils ne conduisent pas l'électricité, mais ils peuvent conduire l'électricité sous forme liquide. Ils peuvent être constitués d'atomes ou de molécules, à condition qu'ils soient chargés. Un exemple courant de solide ionique serait le chlorure de sodium (NaCl), connu sous le nom de sel de table.
Les cristaux de réseau covalents, parfois simplement appelés cristaux de réseau, sont maintenus ensemble par des liaisons covalentes entre leurs atomes constitutifs. (Notez que les cristaux de réseau covalent sont des solides atomiques, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas être constitués de molécules.) Ce sont des solides très durs, ont des points de fusion élevés et ne conduisent pas bien l'électricité. Des exemples courants de solides de réseau covalents sont le diamant et le quartz.
Les cristaux métalliques sont également des solides atomiques, constitués d'atomes métalliques maintenus ensemble par des liaisons métalliques. Ces liaisons métalliques confèrent aux métaux leur malléabilité et leur ductilité, car elles permettent aux atomes métalliques de rouler et de glisser les uns sur les autres sans casser le matériau. Les liaisons métalliques permettent également aux électrons de valence de se déplacer librement à travers le métal dans une « mer d'électrons », ce qui en fait de grands conducteurs d'électricité. Leur dureté et leurs points de fusion varient considérablement.
Les cristaux moléculaires sont constitués de molécules liées, contrairement aux cristaux métalliques et en réseau, qui sont constitués d'atomes liés. Les liaisons moléculaires sont relativement faibles par rapport aux liaisons atomiques et peuvent être causées par diverses forces intermoléculaires, notamment les forces de dispersion et les forces dipôle-dipôle.
De faibles liaisons hydrogène maintiennent ensemble certains cristaux moléculaires, tels que la glace. Parce que les cristaux moléculaires sont maintenus ensemble par des liaisons si faibles, leurs points de fusion ont tendance à être beaucoup plus bas, ils sont de moins bons conducteurs de chaleur et d'électricité, et ils sont plus mous. Des exemples courants de cristaux moléculaires comprennent la glace, la glace sèche et la caféine.
Les solides formés par le gaz nobles sont également considérés comme des cristaux moléculaires bien qu'ils soient constitués d'atomes singuliers; les atomes de gaz noble sont liés par des forces similaires à celles liant faiblement les molécules entre elles dans un cristal moléculaire, ce qui leur confère des propriétés très similaires.
Un polycristal est un solide composé de plusieurs types de structures cristallines, elles-mêmes combinées selon un motif non périodique. La glace d'eau est un exemple de polycristal, tout comme la plupart des métaux, de nombreuses céramiques et roches. La plus grande unité constituée d'un motif singulier est appelée grain, et un grain peut contenir de nombreuses cellules unitaires.
Conductivité dans les solides cristallins
Un électron dans un solide cristallin est limité dans la quantité d'énergie qu'il peut avoir. Les valeurs possibles de l'énergie qu'il peut avoir constituent une "bande" pseudo-continue d'énergie, appelée un bande d'énergie. Un électron peut prendre n'importe quelle valeur d'énergie dans la bande, tant que la bande n'est pas remplie (il y a une limite au nombre d'électrons qu'une bande donnée peut contenir).
Ces bandes, bien que considérées comme continues, sont techniquement discrètes; ils contiennent juste trop de niveaux d'énergie qui sont trop proches les uns des autres pour être résolus séparément.
Les bandes les plus importantes sont appelées bande de conduction et bande de valence: La bande de valence est la plage des niveaux d'énergie les plus élevés du matériau dans laquelle les électrons sont présents à la température du zéro absolu, tandis que la bande de conduction est la plage de niveaux la plus basse contenant États.
Dans les semi-conducteurs et les isolants, ces bandes sont séparées par un intervalle d'énergie, appelé le bande interdite. Dans les semi-métaux, ils se chevauchent. Dans les métaux, il n'y a essentiellement aucune distinction entre eux.
Lorsqu'un électron se trouve dans la bande de conduction, il a suffisamment d'énergie pour se déplacer librement dans le matériau. C'est ainsi que ces matériaux conduisent l'électricité: par le mouvement des électrons dans leurs bandes de conduction. Étant donné que la bande de valence et la bande de conduction n'ont pas d'espace entre elles dans les métaux, il est facile pour les métaux de conduire l'électricité. Les matériaux avec une plus grande bande interdite ont tendance à être des isolants; il est difficile d'obtenir un électron suffisamment d'énergie pour sauter l'écart et entrer dans la bande de conduction.
Solides amorphes
Un autre type de solide est un solide amorphe, qui n'a pas de motif périodique. Les atomes et les molécules dans les solides amorphes sont en grande partie désorganisé. Pour cette raison, ils partagent de nombreuses similitudes avec les liquides et n'ont en fait aucun point de fusion défini.
Au lieu de cela, parce que les distances entre les atomes ou molécules voisins dans la structure varient, l'énergie thermique traverse le matériau de manière inégale. Le matériau fond lentement sur une large plage de températures.
Des exemples de solides amorphes comprennent le caoutchouc, le verre et le plastique. L'obsidienne et la barbe à papa sont également des exemples de solides amorphes.