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Leçon n° 19 : MATERIAUX ORGANISES - MATERIAUX AMORPHES - MATIERES PLASTIQUES

 

Cette leçon comporte trois paragraphes.

 

1- MATERIAUX ORGANISES


Parmi les matériaux organisés nous distinguerons les solides cristallins et les céramiques.


· 1-1 Solides cristallins

Ils ont une structure très régulière. Nous distinguerons les cristaux ioniques, les cristaux covalents et les cristaux moléculaires.

· Les cristaux ioniques

Nous prendrons comme exemple le cristal ionique de chlorure de sodium (formule statistique NaCl)

Le cristal de chlorure de sodium (sel de cuisine) est formé d'ions Na + et Cl - qui satisfont à la règle de l'octet. Les forces électrostatiques fortes entre ces ions assurent une bonne cohésion du cristal.

Chaque ion est entouré de six ions d'espèce différente disposés en octaèdre. Dans un tout petit grain de sel de cuisine cette disposition se répète des millions de fois.

 (1)

Par apport d'énergie calorifique les ions Na + et Cl - vibrent de plus en plus. Néanmoins, sous la pression atmosphérique normale, il faut atteindre la température élevée tF = 801 °C pour que le sel fonde. Les ions sont alors devenus mobiles et par électrolyse on peut préparer du dichlore Cl2 et du sodium Na.

· Les cristaux covalents

Nous prendrons comme exemple le célèbre cristal de diamant.

Pour satisfaire à la règle de l'octet chaque atome de carbone C se lie par 4 liaisons covalentes à 4 autres atomes C. Les traits de liaisons forment des angles voisins de 109°.

 

Chaque maille cubique élémentaire comporte donc 1 + 3 + 4 = 8 atomes de carbone C.

Cette structure cristalline covalente est également très résistante. Le diamant a une température de fusion de tF = 801 °C sous la pression atmosphérique normale.

· Les cristaux moléculaires

Nous prendrons comme exemple le cristal moléculaire de diiode.

Les molécules de diiode I - I satisfont à la règle de l'octet. A la température ordinaire et sous la pression atmosphérique normale le diiode I2 est solide.

Les molécules de diiode échangent entre elles de fragiles liaisons de van der Walls.

Ce cristal moléculaire fragile a une température de fusion peu élevée tF = 113,7 °C sous la pression atmosphérique normale.

Il peut même passer directement mais lentement de l'état solide à l'état gazeux (en se sublimant).

Dissous dans l'éthanol, il forme la teinture d'iode utilisée comme antiseptique.


· 1-2 Les céramiques

- L'art de la céramique est très ancien. Il est apparu près de 30 000 ans avant J.C. Ce fut le premier art du feu, bien avant la métallurgie ou le travail du verre.

- Une céramique (du grec " keramikos " argile) est un matériau ayant une structure organisée, quasi cristalline ou partiellement cristalline, contenant des substances inorganiques et non métalliques. Elle est formée en partant d'une masse en fusion qui se solidifie en se refroidissant ou alors par un mélange de poudres très fortement chauffées pour se " souder " avant d'être refroidi.

- Dans les céramiques les liaisons entre atomes ont un caractère "iono-covalent". Les liaisons ioniques ne sont pas directionnelles, elles tendent à maximiser les attractions coulombiennes et minimiser les répulsions isocharges ce qui conduit à des arrangements d'anions et cations très compacts. Les liaisons covalentes, elles, sont directionnelles et conduisent à des arrangements covalents étendus. Le caractère plutôt ionique ou covalent dépend de la différence d'électronégativité des éléments formant la céramique.

Quelques exemples d'utilisation :

· La céramique ancienne fut le premier « art du feu » à apparaître (voir ci-dessus).

- Une première branche, la terre cuite, recouvre l’ensemble des objets, fabriqués à partir de terre argileuse,

- Elle reste actuellement le matériau le plus répandu dans les arts de la table ou la construction (briques, tuiles).

- Les céramiques sont sans danger pour l'homme et pour l'environnement et nombreuses sont celles qui sont biocompatibles. Elles sont entre autres utilisées pour les équipements sanitaires, médicaux ou alimentaires.

· La céramique technique est une branche nouvelle de la céramique qui traite des applications industrielles, par opposition aux créations artisanales (poterie), artistiques (céramique d'art) ou porcelaines.

- Ces céramiques techniques entrent dans trois catégories différentes :

- les oxydes : oxyde d'aluminium, oxyde de zirconium.

- les non-oxydes : carbures, borures, nitrures, céramiques composées de silicium et d'atomes tels que tungstène, magnésium, platine, ou encore titane.

- les céramiques composites : combinaison des oxydes et des non-oxydes.

- Certaines céramiques sont d'excellents isolants électriques qui sont utilisés, par exemple, comme isolateurs pour circuits électriques à haute tension.

- Dans d'autres conditions, comme des températures extrêmement basses, certaines céramiques, au contraire, deviennent des supraconducteurs.

- Beaucoup de céramiques gardent leur solidité même à des températures très élevées et résistent aux chocs thermiques. Cela les fait utiliser comme "tuiles" de la navette spatiale américaine.

- Certaines céramiques sont opaques (céramiques cristallines) ou translucides (verres amorphes).

 

2- MATERIAUX AMORPHES


Un solide amorphe a une structure désorganisée. Prenons l'exemple du verre.

Le verre est un matériau amorphe qui contient essentiellement de la silice SiO2, du carbonate de sodium et du calcaire.

Il présente un désordre structural important. Le verre ressemble à un liquide pâteux dont on aurait "figé" la structure. La température de changement d'état n'est pas fixée. Il existe toute une zone de température où l'état n'est ni liquide ni solide.

 

3- MATIERES PLASTIQUES


Les matières plastiques sont constitués de polymères, eux mêmes composés de macromolécules.

Les macromolécules sont généralement formées d'un ou de plusieurs motifs (groupes d'atomes) qui se répètent un très grand nombre de fois.

La cellulose, l'amidon sont formés de macromolécules naturelles. Le polychlorure de vinyle est formé de macromolécules synthétisées.

Les matières plastiques sont souvent souples mais il existe des matières plastiques rigides quand les macromolécules sont complexes.

Utilisations :

Nous avons déjà cités quelques matières plastiques. Citons encore le polyéthylène, le polystyrène, le polypropylène.

Les matières plastiques sont susceptibles d'être moulées, en général à chaud, sous pression, afin de conduire à un objet ou à un emballage.

Les plastiques biodégradables sont minoritaires. La grande majorité des plastiques pose un problème d'élimination ou de recyclage.

 
A VOIR :

Exercice 19-A : Connaissances du cours n° 19

Exercice 19-B :

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