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Science et génie des matériaux III – Energie de liaison et propriétés associées

Science et génie des matériaux III – Energie de liaison et propriétés associées. David Horwat EEIGM – 3° étage David.horwat@ijl.nancy-universite.fr. La formation d’une liaison chimique stable se fait en cédant de l’énergie à son environnement. C’est l’énergie de la liaison (valeur négative).

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Science et génie des matériaux III – Energie de liaison et propriétés associées

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  1. Science et génie des matériaux III – Energie de liaison et propriétés associées David Horwat EEIGM – 3° étage David.horwat@ijl.nancy-universite.fr

  2. La formation d’une liaison chimique stable se fait en cédant de l’énergie à son environnement. C’est l’énergie de la liaison (valeur négative). Pour un corps pur l’organisation cristalline ou structure (cubique, à faces centrées, cubique centrée, hexagonale compacte, …) à 0K est celle qui possède l’énergie de liaison globale la plus négative. Dans la partie VI nous verrons que la température et la composition font intervenir un autre paramètre, l’entropie. Ainsi, l’énergie de la liaison chimique est un paramètre clé pour les propriétés d’un matériau. Nous verrons également que la forme de la courbe d’énergie de liaison influence certaines propriétés.

  3. Nous allons considérer 3 types de liaisons Liaison ionique Van der Waals - Na+ - Cl - - - Cl- Na Liaison métallique - - - - Déformation de l’orbitale par les atomes ou molécules voisines - - - - - - - - Li+ Li+ Li+ Li+ - - - - + + - - Li+ Li+ Li+ Li+ - - - - - Li+ Li+ Li+ Li+ attraction - -

  4. Les liaisons inter-atomiques

  5. Les liaisons de Van Der Waals Cas des gaz rares à très basse température Cas des polymères cristallin (complexe à traiter) Cas de deux atomes Partie répulsive ( r-12) Approximatif: forme réelle est une exponentielle Existence d’un minimum: distance d’équilibre de la liaison Partie attractive ( r-6) -ε Cristal stable: celui qui possède la somme minimale des énergies de liaison (cf TD) σ

  6. Les liaisons de Van Der Waals Cas des gaz rares à très basse température Cas des polymères cristallin (complexe à traiter) Cas de deux atomes Partie répulsive ( r-12) Partie attractive ( r-6) Approximatif: forme réelle est une exponentielle -ε σ

  7. Les liaisons ioniques , ρ sont des constantes r + -

  8. Les liaisons ioniques coordinence  Est la constante de Madelung, terme qui correspond à la sommation des influences géométriques mutuelles des ions.

  9. Les liaisons ioniques Energie de cohésion (Ecoh) du cristal et distance d’équilibre (r0) Correspondent au minimum de la courbe d’énergie Mathématiquement r0 Ecoh

  10. Les liaisons ioniques Energie de cohésion (Ecoh) du cristal et distance d’équilibre (r0) Correspondent au minimum de la courbe d’énergie r0 Ecoh

  11. Les liaisons métalliques Élément représentatif Elément représentatif: Sphère constituée d’un cation de charge +e dans une sphère électronique de carge -e

  12. Les liaisons métalliques

  13. Les liaisons métalliques Terme attractif coulombien 2 charges ponctuelles qi et qj

  14. Les liaisons métalliques Contribution du nuage électronique

  15. Les liaisons métalliques

  16. Les liaisons métalliques Contribution de l’interaction nuage/cation

  17. Les liaisons métalliques Contribution de l’interaction nuage/cation

  18. Les liaisons métalliques

  19. Les liaisons métalliques Valeurs de k de la forme i : x, y ou z

  20. Les liaisons métalliques

  21. Les liaisons métalliques

  22. Les liaisons métalliques

  23. Dilatation thermique La plupart des matériaux cristallisés se dilatent lorsqu’ils sont chauffés. Cette propriété est directement liée à la forme de la courbe d’énergie de liaison En effet, lorsqu’un matériau est chauffé, une énergie lui est transmise. Une partie plus ou moins importante de cette énergie sera transformée en vibration des atomes (phonons), ainsi: ΔT => ΔE => vibrations

  24. Dilatation thermique Du fait de la forme de la courbe d’énergie de liaison les vibrations sont asymétriques par rapport à r0. Déplacement moyen <δ> positif, la distance d’équilibre de la liaison augmente avec la température.

  25. Dilatation thermique Soit un barreau de solide cristallin T2 > T1 L Le barreau s’allonge de la quantité ΔL T1 ΔL = L ΔT αL T2 αL est le coefficient de dilatation thermique linéaire (unité: K-1) L ΔL αL 0 ΔT

  26. Dilatation thermique Le volume change également Coefficient de dilatation thermique volumique Cf TD À l’effet de dilatation thermique peut se superposer un changement de volume trouvant son origine dans un changement de phase. CF TD !

  27. Elasticité – Module d’Young Le module d’élasticité, ou module d’Young, représente la raideur du matériau lorsque celui-ci est étiré. C’est le résultat de la raideur des liaisons chimiques r0 r0 F F F F S0 r r Énergie de liaison

  28. Elasticité – Module d’Young Le module d’élasticité, ou module d’Young, représente la raideur du matériau lorsque celui-ci est étiré. C’est le résultat de la raideur des liaisons chimiques E r F Fmax attraction r répulsion

  29. Compressibilité isotherme des métaux 1er principe de la thermodynamique: dE = TdS-PdV La compressibilité T est la capacité d’un matériau à se comprimer sous l’action d’une pression externe Module de compressibilité aussi appelé bulk modulus B

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