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Solides et structures cristallines

On appelle solide tout système qui possède une forme propre.

On distingue les solides cristallins constitués d'une répétition quasi parfaite de l'arrangement des atomes dans les trois directions de l'espace et les solides amorphes correspondant à un état liquide figé et pour lesquels il n'y a pas d'ordre au-delà d'une échelle moléculaire.

B

Description des structures cristallines : deux exemples

On étudie uniquement deux structures cristallines : la structure dite cubique (C) et la structure dite cubique à faces centrées (CFC). Elles ont respectivement pour maille élémentaire :

• pour C : un cube dont les huit sommets sont occupés par un atome ;
• pour CFC : un cube dont les huit sommets et les centres des six faces sont occupés par un atome.

On appelle paramètre de la maille, noté a, la longueur de l'arête du cube. Il permet de déterminer la compacité de la structure, notée c, qui correspond au volume occupé en propre par les atomes dans la maille sur le volume total de la maille.

Enfin, il est possible de déduire de ces considérations microscopiques des grandeurs macroscopiques comme la masse volumique \rho d'une espèce chimique connaissant la structure cristalline qui la caractérise et le paramètre de sa maille :

Caractérisés par une formule chimique, les minéraux s'organisent dans l'espace sous forme de cristaux. Leur architecture corresond à l'un des sept systèmes cristallins employées pour décrire leur géométrie. Ces cristaux sont la plus petite structure organisée qui compose généralement les roches.

Une roche est donc composée de l'association d'un ou plusieurs cristaux.

Dans de nombreux cas, les cristaux font également partie intégrante de la structure des êtres vivants.

Suivant les conditions de pression et de température, l'agencement des atomes peut subir une réorganisation particulière comme le cas de certains minéraux ayant subi un métamorphisme. Un même composé de formule chimique unique pourra cristalliser dans différents systèmes cristallins.

Dans le cas des roches magmatiques, la vitesse de refroidissement influence la formation des cristaux : le refroidissement rapide d'une lave conduit à une cristallisation partielle. Il se forme alors un verre, solide amorphe ne présentant pas d'organisation cristalline.

On se limite ici à un cas idéal, c'est‑à‑dire aux solides cristallins dont l'organisation sera supposée parfaitement régulière, sans aucun défaut : un cristal réel présente en effet de nombreux défauts.

Solide cristallin : solide constitué d'une répétition quasi parfaite de l'arrangement des atomes dans les 3 directions de l'espace, contrairement au solide amorphe.

Solide amorphe : solide constitué d'atomes dont l'arrangement n'est pas ordonné, contrairement au solide cristallin.

Structure cubique centrée (C) : structure cristalline cubique comportant un atome central et un atome à chaque sommet de la maille.

Structure cubique à faces centrées (CFC) : structure cristalline cubique comportant un atome à chaque sommet et un atome au centre de chacune des faces de la maille.

Paramètres de maille (ou paramètres cristallin) : longueurs et angles décrivant la géométrie de la maille.

Compacité : rapport du volume des atomes présents dans une maille par le volume de la maille.

Masse volumique : rapport entre le masse et le volume d'un corps.

Minéraux : espèces chimiques naturelles se présentant sous forme de solides à structure cristalline.

Cristaux : solide dont les atomes sont arrangés de manière régulière selon une maille.

Système cristallin : système de classification des cristaux selon leurs propriétés de symétrie.

Roches : matériau composé d'un assemblage d'un ou plusieurs minéraux, cristallins ou vitreux.

Lave : roche en fusion (600 °C à 1 200 °C) plus ou moins fluide émise par les volcans.

Verre : solide non cristallin (amorphe).