STRUCTURE CRISTALLINE: STRUCTURE, TYPES ET EXEMPLES - CHIMIE - 2025

La structure cristalline est l'un des états solides que les atomes, ions ou molécules peuvent adopter dans la nature, qui se caractérise par un ordre spatial élevé. En d'autres termes, cela témoigne de «l'architecture corpusculaire» qui définit de nombreux corps aux apparences vitreuses et brillantes.

Qu'est-ce qui favorise ou quelle force est responsable de cette symétrie? Les particules ne sont pas seules, mais interagissent les unes avec les autres. Ces interactions consomment de l'énergie et affectent la stabilité des solides, de sorte que les particules cherchent à s'accommoder pour minimiser cette perte d'énergie.

Leurs natures intrinsèques les amènent donc à se placer dans l'agencement spatial le plus stable. Par exemple, il peut s'agir de celui où les répulsions entre ions à charges égales sont minimes, ou où certains atomes - tels que les métaux - occupent également le plus grand volume possible dans leur emballage.

Le mot «cristal» a une signification chimique qui peut être déformée pour d'autres corps. Chimiquement, il fait référence à une structure ordonnée (au microscope) qui, par exemple, peut être constituée de molécules d'ADN (un cristal d'ADN).

Cependant, il est généralement mal utilisé pour désigner tout objet ou surface vitreux, comme des miroirs ou des bouteilles. Contrairement aux vrais cristaux, le verre se compose d'une structure amorphe (désordonnée) de silicates et de nombreux autres additifs.

Structure

Dans l'image ci-dessus, quelques gemmes d'émeraude sont illustrées. Tout comme ceux-ci, de nombreux autres minéraux, sels, métaux, alliages et diamants présentent une structure cristalline; mais quel rapport son ordre entretient-il avec la symétrie?

Si un cristal, dont les particules ont pu être observées à l'œil nu, subit des opérations de symétrie (inverser, faire pivoter sous différents angles, le réfléchir sur un plan, etc.), alors on constatera qu'il reste intact dans toutes les dimensions de l'espace.

L'inverse se produit pour un solide amorphe, à partir duquel différents ordres sont obtenus en le soumettant à une opération de symétrie. De plus, il manque de motifs de répétition structurels, ce qui montre le caractère aléatoire de la distribution de ses particules.

Quelle est la plus petite unité qui compose le modèle structurel? Dans l'image du haut, le solide cristallin est symétrique dans l'espace, tandis que le solide amorphe ne l'est pas.

Si des carrés étaient dessinés qui renfermaient des sphères orange et que des opérations de symétrie leur étaient appliquées, on constaterait qu'ils génèrent d'autres parties du cristal.

Ce qui précède est répété avec des carrés de plus en plus petits, jusqu'à trouver celui qui est asymétrique; celui qui le précède en taille est, par définition, la maille unitaire.

Cellule unitaire

La cellule unitaire est l'expression structurale minimale qui permet la reproduction complète du solide cristallin. À partir de là, il est possible d'assembler le verre en le déplaçant dans toutes les directions de l'espace.

Il peut être considéré comme un petit tiroir (coffre, seau, conteneur, etc.) où les particules, représentées par des sphères, sont placées selon un schéma de remplissage. Les dimensions et les géométries de cette boîte dépendent des longueurs de ses axes (a, b et c), ainsi que des angles entre eux (α, β et γ).

La plus simple de toutes les cellules unitaires est celle de la structure cubique simple (image du haut (1)). En cela, le centre des sphères occupe les coins du cube, quatre à sa base et quatre au plafond.

Dans cet agencement, les sphères n'occupent que 52% du volume total du cube, et comme la nature a horreur du vide, peu de composés ou d'éléments adoptent cette structure.

Cependant, si les sphères sont disposées dans le même cube de manière à ce que l'on occupe le centre (cubique centré dans le corps, bcc), alors il y aura un tassement plus compact et plus efficace (2). Désormais, les sphères occupent 68% du volume total.

En revanche, dans (3) aucune sphère n'occupe le centre du cube, contrairement au centre de ses faces, et elles occupent toutes jusqu'à 74% du volume total (face centrée cubique, cc).

Ainsi, on comprend que d'autres dispositions peuvent être obtenues pour un même cube, en faisant varier la façon dont les sphères sont tassées (ions, molécules, atomes, etc.).

Les types

Les structures cristallines peuvent être classées en fonction de leurs systèmes cristallins ou de la nature chimique de leurs particules.

Par exemple, le système cubique est le plus courant de tous, et de nombreux solides cristallins sont régis par lui; cependant, ce même système s'applique aux cristaux ioniques et métalliques.

Selon son système cristallin

Dans l'image précédente, les sept principaux systèmes cristallins sont représentés. On peut noter qu'il y en a en fait quatorze, qui sont le produit d'autres formes de conditionnement pour les mêmes systèmes et constituent les réseaux Bravais.

De (1) à (3) sont des cristaux avec des systèmes cristallins cubiques. En (2) on observe (par les bandes bleues) que la sphère au centre et celle des coins interagissent avec huit voisins, donc les sphères ont un numéro de coordination de 8. Et en (3) le numéro de coordination est 12 (pour le voir, vous devez dupliquer le cube dans n'importe quelle direction).

Les éléments (4) et (5) correspondent à des systèmes tétragonaux simples et centrés sur la face. Contrairement à la cubique, son axe c est plus long que les axes a et b.

De (6) à (9) sont les systèmes orthorhombiques: des simples et centrés sur les bases (7), à ceux centrés sur le corps et sur les faces. Dans ces α, β et γ sont 90º, mais tous les côtés sont de longueurs différentes.

Les figures (10) et (11) sont les cristaux monocliniques et (12) est le cristal triclinique, le dernier présentant des inégalités dans tous ses angles et axes.

L'élément (13) est le système rhomboédrique, analogue au cubique mais avec un angle γ différent de 90º. Enfin il y a les cristaux hexagonaux

Les déplacements des éléments (14) sont à l'origine du prisme hexagonal tracé par les lignes pointillées vertes.

Selon sa nature chimique

- Si les cristaux sont constitués d'ions, alors ce sont des cristaux ioniques présents dans les sels (NaCl, CaSO ₄, CuCl ₂, KBr, etc.)

- Les molécules comme le glucose forment (chaque fois qu'elles le peuvent) des cristaux moléculaires; dans ce cas, les fameux cristaux de sucre.

- Les atomes dont les liaisons sont essentiellement covalentes forment des cristaux covalents. Ce sont les cas du diamant ou du carbure de silicium.

- De même, les métaux tels que l'or forment des structures cubiques compactes, qui constituent des cristaux métalliques.

Exemples

K

NaCl (système cubique)

ZnS (wurtzite, système hexagonal)

CuO (système monoclinique)

Références

1. Quimitube. (2015). Pourquoi les «cristaux» ne sont pas des cristaux. Extrait le 24 mai 2018 de: quimitube.com
2. Pressbooks. 10.6 Structures en treillis dans les solides cristallins. Extrait le 26 mai 2018 de: opentextbc.ca
3. Centre de ressources académiques Crystal Structures.. Extrait le 24 mai 2018 de: web.iit.edu
4. Ming. (2015, 30 juin). Types de structures cristallines. Récupéré le 26 mai 2018 de: crystalvisions-film.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (31 janvier 2018). Types de cristaux. Récupéré le 26 mai 2018 de: thinkco.com
6. KHI. (2007). Structures cristallines. Extrait le 26 mai 2018 de: folk.ntnu.no
7. Paweł Maliszczak. (25 avril 2016). Cristaux d'émeraude rugueux de la vallée du Panjshir en Afghanistan.. Extrait le 24 mai 2018 de: commons.wikimedia.org
8. Napy1kenobi. (26 avril 2008). Treillis de Bravais.. Extrait le 26 mai 2018 de: commons.wikimedia.org
9. Utilisateur: Sbyrnes321. (21 novembre 2011). Cristallin ou amorphe.. Extrait le 26 mai 2018 de: commons.wikimedia.org