Structure lattice

Structure lattice : définition

Si tu fais un zoom sur n'importe quel matériau à l'échelle atomique, tu imagines la carcasse d'un bâtiment. Cet arrangement d'atomes est généralement une réplique d'un arrangement de base d'atomes. Cette "unité", qui peut constituer la structure entière du matériau si elle est répétée un nombre suffisant de fois, est appelée la structure lattice du matériau.

Principe d'une structure lattice

Considérons un cristal ; nous savons que la principale caractéristique des solides cristallins est la disposition régulière et répétitive de ses particules représentatives.

Maintenant, lorsque nous remplaçons ces particules par des points représentatifs, nous obtenons un lattice cristallin.

Le lattice cristallin est défini comme le réarrangement tridimensionnel des particules constitutives représentées de manière schématique, de sorte que chaque particule est représentée par un point. Cet arrangement est connu sous le nom de lattice cristallin.

Examinons quelques-unes de leurs caractéristiques :

• Chaque point d'un réseau cristallin est appelé point de réseau ou site de réseau.
• Chaque point d'un lattice cristallin représente une particule constitutive qui peut être un atome, une molécule ou un ion.
• Les points du réseau sont reliés entre eux par des lignes droites pour faire ressortir la géométrie d'un réseau cristallin.

Composants d'une structure lattice

Motif

Le motif est constitué par la plus petite entité discernable qui se répète périodiquement. Pour un cristal à l'échelle microscopique, le motif est une particule : atome, ion ou molécule.

Maille élémentaire

Maintenant, si nous observons le réseau cristallin, nous pouvons remarquer qu'il y a un petit groupe de points de réseau qui se répète constamment pour former un réseau cristallin entier.

Ce petit groupe de points du réseau est connu sous le nom de maille élémentaire.

Une maille élémentaire est représentée par trois arêtes \( a, b \space et \space c \) , représentées le long des axes \( x, y \space et \space z \) d'une entité tridimensionnelle et ces arêtes peuvent ou non être mutuellement perpendiculaires les unes aux autres.

Lorsque ces arêtes se rejoignent, elles forment certains angles ; ils sont représentés par les angles \( \alpha , \beta \space et \space \gamma \) .

Les atomes ou les ions d'un lattice peuvent être disposés de multiples façons dans une géométrie 3D.

Types de structures lattices

Il existe 14 lattices tridimensionnels possibles connus de nous. Ces lattices portent le nom du mathématicien français qui les a découverts. Ils sont donc connus sous le nom de lattices de Bravais.

Structure de lattice cubique à faces centrées (CFC)

Il s'agit d'un lattice cubique, avec un atome ou un ion à chacun des \( 4 \) coins du cube, plus un atome au centre de chacune des \( 6 \) faces du cube. D'où le nom de structure de lattice cubique centrée sur les faces.

Structure de lattice cubique centrée

Comme tu peux le déduire de son nom, ce lattice est un lattice cubique avec un atome ou un ion au centre du cube. Tous les coins ont un atome ou un ion, mais pas les faces.

Fig.1- Structure de lattice cubique centrée.¹

Structure de treillis hexagonale la plus compacte

Le nom de cette structure lattice ne t'évoque peut-être pas tout de suite quelque chose. Ce lattice n'est pas cubique comme les deux précédents. Le lattice peut être divisé en trois couches, les couches supérieure et inférieure contenant des atomes disposés de manière hexagonale. La couche du milieu comporte 3 atomes qui sont pris en sandwich entre les deux couches, les atomes s'insérant parfaitement dans les interstices des atomes des deux couches.

Imagine que tu disposes \( 7 \) pommes comme la couche supérieure ou inférieure de ce lattice. Essaie maintenant d'empiler \( 3 \) pommes sur ces pommes - de cette façon ? Tu les placerais dans les interstices, et c'est précisément de cette façon que les atomes de ce lattice sont disposés.

Exemples

Maintenant que nous connaissons la disposition dans laquelle les atomes d'un composé peuvent exister, examinons quelques exemples de ces structures en lattice.

Lattice ionique géante

Tu te rappelles peut-être, après avoir lu nos résumés sur les liaisons, que la liaison ionique se produit par le transfert d'électrons des métaux vers les non-métaux. Les métaux se chargent alors en perdant des électrons, formant des ions chargés positivement (cations). Les non-métaux, quant à eux, se chargent négativement en gagnant des électrons. La liaison ionique implique donc de fortes forces électrostatiques entre des ions de charge opposée dans une structure lattice.

Ces composés peuvent être disposés en lattices ioniques géants appelés cristaux ioniques. On les qualifie de "géants" car ils sont constitués d'un grand nombre d'ions identiques disposés de manière répétitive.

Un autre exemple de lattice ionique géante est l'oxyde de magnésium, \( MgO \) .

Les lattices covalents

Un autre type de liaison important est la liaison covalente. La liaison covalente a lieu uniquement entre les non-métaux.

Il existe deux types de structures pouvant contenir une liaison covalente : les structures covalentes géantes et les structures covalentes simples. La différence entre elles est que l'attraction électrostatique qui maintient les structures géantes ensemble est plus forte que l'attraction électrostatique qui maintient les structures simples.

Molécules simples

L'iode, le buckminsterfullerène \( (C_{60}) \) et la glace sont des exemples de lattices moléculaires simples.

Le buckminsterfullerène \( (C_{60}) \) est un allotrope du carbone, ce qui signifie que ses molécules ne sont constituées que d'atomes de carbone. Il y a au total \( 60 \) atomes de carbone dans le buckminsterfullerène \( (C_{60}) \) qui sont disposés en \( 20 \) anneaux hexagonaux et \( 12 \) anneaux pentagonaux. Ces anneaux forment une structure sphérique.

Fig.4- Schéma représentant le buckminsterfullerène \( (C_{60}) \) .

Lorsque l'eau gèle, les molécules de \( H_2O \) s'arrangent en une structure de lattice cristalline. Sais-tu que l'eau se dilate lorsqu'elle gèle ? C'est parce que les molécules d'eau ont plus d'espace entre elles lorsqu'elles sont disposées dans une structure cristalline qu'à l'état liquide.

L'iode est une autre molécule simple dont les molécules sont disposées dans un lattice cristallin. Les molécules d'iode sont disposées selon un lattice cubique à faces centrées. Un lattice cubique à faces centrées est un cube de molécules dont les autres molécules se trouvent au centre des faces du cube.

Fig.5- Cellule unitaire de l'iode.³

Le lattice de l'iode peut être un peu difficile à visualiser, même avec une image. Regarde le lattice du dessus - tu verras que les molécules situées à droite et à gauche du cube sont alignées de la même façon, tandis que celles du milieu sont alignées dans l'autre sens.

Structures covalentes géantes

Le graphite, le diamant et l'oxyde de silicium (IV) sont des exemples de lattices moléculaires géants.

Fig.6- Formes des lattices moléculaires géants.

Le graphite est un allotrope du carbone, c'est-à-dire qu'il est entièrement constitué d'atomes de carbone. Le graphite est une structure covalente géante, car des millions d'atomes de carbone peuvent exister dans une seule molécule de graphite. Les atomes de carbone sont disposés en anneaux hexagonaux, et plusieurs anneaux sont reliés entre eux pour former une couche. Le graphite est constitué de plusieurs de ces couches empilées les unes sur les autres.

Fig.7- Structure du graphite.4

Les liaisons partagées par les atomes de carbone dans une couche sont des liaisons covalentes fortes. Chaque atome de carbone établit \( 3 \) liaisons covalentes simples avec \( 3 \) autres atomes de carbone. Il existe de faibles forces intermoléculaires entre les couches (représentées par des lignes pointillées sur la figure). Le graphite est un matériau unique doté de propriétés et d'utilisations très intéressantes, que tu pourras découvrir dans un article consacré au graphite.

Le diamant est encore un autre allotrope du carbone et une structure covalente géante. Le diamant et le graphite sont tous deux entièrement constitués de carbone, mais leurs propriétés sont totalement différentes. Cela est dû à la différence de structure du lattice des deux composés. Dans le diamant, les atomes de carbone sont disposés selon une structure tétraédrique. Chaque atome de carbone établit \( 4 \) liaisons covalentes simples avec \( 4 \) autres atomes de carbone.

Fig.8- Structure du diamant, Les carbones sont disposés dans une géométrie tétraédrique 5

Un autre exemple de structure covalente géante est l'oxyde de silicium \( (IV) \) , également connu sous le nom de silice. La silice est le principal constituant du sable. La formule chimique de la silice est \( SiO_2 \) . Comme le diamant, les atomes de la silice sont également disposés selon une géométrie tétraédrique.

Fig.9- Géométrie tétraédrique du dioxyde de silicium 6

En raison de sa structure tétraédrique, l'oxyde de silicium \( (IV) \) est très dur. La silice est également utilisée dans la formation du verre.

Les lattices métalliques

Lorsque les atomes de métaux sont serrés les uns contre les autres, ils créent une forme régulière que l'on appelle un lattice métallique géant.

Dans ce lattice, il y a des électrons libres dans la couche externe des atomes de métal. Ces électrons libres sont également connus sous le nom d'électrons "délocalisés" et ils sont libres de dériver autour de la structure, ce qui permet la formation d'ions positifs. Cela entraîne la formation d'une liaison métallique.

Un exemple de lattice métallique est le calcium, dont les ions ont une charge \( 2+ \) . Le cuivre forme un lattice cubique à faces centrées \( (CFC) \) . Dans un lattice \( CFC \) , il y a un atome à chaque sommet du cube et un atome au centre de chaque face du cube. Les métaux forment des structures métalliques géantes, car ils sont constitués de millions d'atomes.

Propriétés d'une structure lattice

Lattices ioniques

Les lattices ioniques géants ont des points de fusion et d'ébullition très élevés en raison de la forte attraction qui maintient les ions ensemble.

Ils conduisent l'électricité, mais uniquement lorsqu'ils sont dissous ou fondus. Lorsque les lattices ioniques sont à l'état solide, leurs ions sont fixés en position et ne peuvent pas se déplacer, de sorte que l'électricité n'est pas conduite.

Les lattices ioniques géants sont solubles dans l'eau et les solvants polaires, mais ils sont insolubles dans les solvants non polaires. Les solvants polaires contiennent des atomes qui ont une grande différence d'électronégativité. Les solvants non polaires contiennent des atomes ayant une différence d'électronégativité relativement faible.

Lattices covalents

Les lattices covalents simples

Les lattices covalents simples ont des points de fusion et d'ébullition bas, car les forces intermoléculaires entre les molécules sont faibles. Par conséquent, seule une petite quantité d'énergie est nécessaire pour briser le lattice.

Ils ne conduisent pas l'électricité, que ce soit à l'état solide, liquide ou gazeux, comme il n'y a pas d'ions ou d'électrons délocalisés pour se déplacer dans la structure et porter une charge.

Les lattices covalents simples sont plus solubles dans les solvants non polaires et sont insolubles dans l'eau.

Les lattices covalents géants

Les lattices covalents géants ont des points de fusion et d'ébullition élevés, car une grande quantité d'énergie est nécessaire pour rompre les liaisons fortes entre les molécules.

La plupart de ces composés ne peuvent pas conduire l'électricité puisqu'il n'y a pas d'électrons libres disponibles pour transporter une charge. Cependant, le graphite peut conduire l'électricité comme il possède des électrons délocalisés.

Ces types de lattices sont insolubles dans l'eau, car ils ne contiennent pas d'ions.

Les lattices métalliques

Les lattices métalliques géants ont des points de fusion et d'ébullition modérément élevés en raison de la forte liaison métallique.

Ces lattices peuvent conduire l'électricité lorsqu'ils sont solides ou liquides, car des électrons libres sont disponibles dans les deux états et peuvent dériver autour de la structure en transportant une charge électrique.

Ils sont insolubles dans l'eau parce que les liaisons métalliques sont très fortes. Cependant, ils peuvent être solubles uniquement dans les métaux liquides.

Structure lattice : utilisations

La structure en lattice que forment les atomes d'un composé affecte ses propriétés physiques telles que la ductilité et la malléabilité. Lorsque les atomes sont disposés selon une structure en lattice cubique à faces centrées, le composé présente une ductilité élevée. Les composés à structure de lattice HCP présentent la plus faible déformabilité. Les composés à structure de lattice CC se situent entre ceux à structure CFC et HCP en termes de ductilité et de malléabilité.

Les propriétés affectées par les structures de lattice sont utilisées dans de nombreuses applications de matériaux. Par exemple, les atomes du graphite sont disposés dans un lattice HCP. Comme les atomes sont disposés avec un décalage par rapport aux atomes des couches supérieures et inférieures, les couches peuvent se déplacer relativement facilement les unes par rapport aux autres. Cette propriété du graphite est utilisée dans les mines de crayons - les couches peuvent se déplacer et se détacher facilement et être déposées sur n'importe quelle surface, ce qui permet au crayon d'"écrire".