6:liquides et solides

UNITÉ 6
Les états liquide et solide

Théorie :
	CHIMIE GÉNÉRALE, S. Zumdahl 2^e édition (1998). Traduction M. Rouleau; adaptation J.-M. Gagnon; Les Éditions CEC Inc., Anjou (Québec) Chapitre 8.
COMPLÉMENTS	Quelques notions supplémentaires sur les solides.

TYPES DE SOLIDES
Solide	Unité	Liaisons	Point de fusion	T_fusion(°C)
moléculaire	Molécules polaires Molécules non-polaires	Dipôles London	bas	H₂O : 0 I₂ : 114
ionique	Ions atomiques Ions moléculaires	électrostatiques	élevé	NaCl : 800
atomique	Atomes (non-métaux)	covalentes	très élevé	Diamant : 3500
métallique	Atomes (métaux)	métalliques (non dirigées)	variable	Na : 98 Cu : 1083

MÉTAUX
Conductivité
Fermi	La conductivité d'un métal diminue avec l'augmentation de la température. Les surfaces de Fermi peuvent expliquer ce comportement. Voici une surface de Fermi pour l'aluminium (surface de potentiel) : On retrouve les noyaux au fond des cavités. Les électrons responsables de la conduction se déplacent sur cette surface de potentiel. Le métal est d'autant meilleur conducteur que les vallées sont peu profondes. Une augmentation de la température produit une augmentation des vibrations des cavités d'où augmentation de la probabilité de capture des électrons de conduction et diminution de la conduction électrique du métal.

Eutectique	Un mélange eutectique correspond à un mélange spécifique de métaux (une solution solide) qui fond à plus basse température que chaque métal séparément. Exemple : Un eutectique pour soudure (T_fusion = 183ºC), utilisé pour souder des composantes électroniques, est composé de : 63% Sn (T_fusion = 232ºC) 37% Pb (T_fusion = 328ºC) On utilise ces mélanges industriellement, entre autres pour la soudure et le moulage.

Cristaux liquides	Il s'agit d'une phase intermédiaire entre l'état solide et l'état liquide. On retrouve cette phase uniquement chez des molécules hautement asymétriques, comme de longues chaînes peu ramifiées ou des molécules présentant une grande surface mince. On connaît 3 types de cristaux liquides : les smétiques, les nématiques et les cholestériques. Chaque type de cristal liquide est caractérisé par un degré de désorganisation moléculaire intermédiaire entre le cristal solide et le liquide. On peut contrôler la transition de l'état solide à l'état cristal liquide soit en changeant la température, soit en appliquant une différence de potentiel.

Doping de semi-conducteurs	Le silicium est hybridé sp³ comme le carbone. Chaque atome de Si est donc entouré de 4 voisins immédiats dans une structure tétraédrique. Un atome donné de Si partage donc ses 4 électrons avec ses 4 voisins pour former 4 liaisons covalentes (4 doublets électroniques). Semi-conducteur intrinsèque En insérant dans la maille cristalline des impuretés d'un élément du groupe suivant en quantité très faible, on crée un semi-conducteur extrinsèque de type N (le porteur de charge est négatif). On parle alors de doping. Exemple : doping de Si avec As : Semi-conducteur extrinsèque de type N En insérant dans la maille cristalline des impuretés d'un élément du groupe précédent en quantité très faible, on crée un semi-conducteur extrinsèque de type P. Le manque d'un électron dans la maille fait apparaître un trou positif. Le porteur de charge est positif. Exemple : doping de Si avec Ga : Semi-conducteur extrinsèque de type P
Exercices
	Zumdahl, S. S. , Chimie générale. Pages 392 à 399 : N^o 6, 7, 8, 9, 10, 11, 17, 20, 23, 25, 26, 29, 30, 31, 32, 33, 36, 37, 38, 51, 52, 53, 57, 58, 59, 63, 65.
Solutions
N^o 6 :	Plus la polarité d’un dipôle est forte (moment dipolaire élevé), plus l’attraction est grande.

N^o 7 :	FDL < dipôle-dipôle < liaison H FDL = forces de dispersion de London. Interactions par ordre décroissant de force :

	Interaction	Exemple
	Ion-ion.	Na⁺-Cl^-
	Ion-dipôle permanent.	Na⁺-H₂O
	Liaison H (ou pont-H).	H₂O-H₂O
	Dipôle permanent- dipôle permanent.	HCl-HCl
	Dipôle permanent- dipôle induit.	HCl-C₆H₆
	Dipôle instantané- dipôle induit (FDL).	C₆H₆-C₆H₆

N^o 8 :	Les forces de dispersion de London augmentent avec le nombre d’électrons (ou la taille de la molécule).

N^o 10 :	Les interactions entre dipôles, comme les liaisons H, résultent d’un partage inégal d’électrons. Cependant, les liaisons H sont plus fortes que les interactions dipôle-dipôle. On retrouve les liaisons H entre l'hydrogène et de petits atomes fortement électronégatifs, soient N, O et F.

N^o 17 :	Solide	Structure
	cristallin	régulière et répétitive.
	amorphe	irrégulière d’atomes et de molécules.
	ionique	d’ions liés par des liaisons ioniques.
	moléculaire	de molécules individuelles neutres liés par des forces faibles (FDL, dipôle-dipôle, liaison H).
	covalent	de liens covalents sans molécule individuelle.
	métallique	d'électrons délocalisés : conducteur, d'électrons localisés : covalent.

N^o 20 :	Théorie des bandes
	En combinant les orbitales atomiques de deux atomes, on obtient deux orbitales moléculaires (liante et anti-liante). Avec 3 noyaux on obtiendra 3 orbitales moléculaires. Avec un nombre N d'atomes, on obtiendra N orbitales moléculaires dont les niveaux d'énergie se succèdent de très près. On considère l'ensemble de ces niveaux sous la forme d'une bande d'énergie.

Conducteur	comme Li. La conduction provient du déplacement d'électrons dans la bande de valence où des niveaux d'énergie sont disponibles.

Conducteur	comme Be, Ca, Na. Les bandes de valence et de conduction se juxtaposent, sans zone interdite. La conduction provient du déplacement d'électrons de la bande de valence à la bande de conduction.

Isolant	comme le diamant et la plupart des cristaux moléculaires. La bande de valence est pleine d'électrons mais elle est séparée de la bande de conduction par une zone interdite importante.

Semi- conducteur intrinsèque	un semi-conducteur pur comme Si et Ge. La bande de valence est pleine d'électrons mais séparée de la bande de conduction par une zone interdite faible. L'addition d'impuretés dans cette zone (doping) augmente la conductivité et est utilisée pour produire les semi-conducteurs commerciaux.


N^o 26 :	L’eau gèle et la glace se sublime.

N^o 30 :	Ionique. FDL. FDL. Dipôles. Liaison H. Dipôles. FDL.

N^o 32 :	Il y a deux fois plus de liaisons H avec H₂NCH₂CH₂NH₂. H₂CO possède le groupe C=O très polaire. CH₃OH peut former des liaisons H. HF peut former des liaisons H.

N^o 36 :	NO (interactions dipôle-dipôle). CH₃CN car H₂O et CH₃OH forment des liaisons H. H₂ est une petite molécule non polaire. H₂O qui forme des liaisons H. HOCH₂CH₂OH qui forme 2 liaisons H par molécule. NH₃ qui forme des liaisons H. H₂O qui forme des liaisons H. CO₂ qui est une petite molécule non polaire.

N^o 37 et 38 :	Comme le polyéthylène est non polaire, les forces de cohésion sont plus fortes que les forces d'adhésion. Le ménisque est convexe. L'eau monte plus haut dans un tube de verre que dans un tube de polyéthylène.

N^o 52 :	Le germanium (Ge) dopé avec un élément du groupe IIIA comme le gallium (Ga) ou l’indium (In) donne un semi-conducteur de type P.

N^o 58 :	As = 2 atomes par maille élémentaire. Ni : Ni (coins) = 8 × 1/8 = 1 atome, Ni (arêtes) = 4 × 1/4 = 1 atome. = 2 atomes par maille élémentaire. Donc la formule de l’arséniure de nickel est NiAs.

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			Conception : J.-Marc Gagnon Séminaire de Sherbrooke (Québec) Canada Hiver 2000 jmgagnon@seminaire-sherbrooke.qc.ca