« Cristallographie géométrique/Introduction » : différence entre les versions

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Cette classification est très simple, facile à comprendre, très pédagogique, mais elle est incomplète et imparfaite sur de nombreux points. Un de ces points est que l'état solide est défini par deux propriétés dites rhéologique : le fait qu'il ait une forme et un volume propre, qu'il ne prend pas la forme de son contenant, que son volume soit (presque) constant. Mais cette définition regroupe des matériaux qui n'ont rien à voir entre eux. Du bois n'a pas grand-chose à voir avec du métal, ou avec du ciment. Les solides peuvent eux-mêmes être classés en plusieurs catégories et ces classifications sont très nombreuses. On peut les classer suivant leurs propriétés mécaniques (fragilité, dureté, seuil de plasticité, résistance aux chocs, et bien d'autres), électrique (conduit-il le courant électrique et si oui, comment), magnétique (comment il réagit à un aimant), et bien d'autres. Ces classifications sont formellement l'objet de la science des matériaux ou de la physique du solide. Mais il faut savoir qu'on peut aussi classer les solides suivant la manière dont les atomes sont disposés dans le solide.
 
Car lesLes atomes d'un solide ne sont pas disposés de la même manière que dans un liquide ou un gaz. Dans l'état gazeux, les atomes sont très faiblement liés entre eux et bougent librement dans le gaz. Les atomes d'un gaz sont toujours en mouvement et leur distance moyenne de déplacement (ou libre parcours moyen) dépend de la température. L'ensemble est donc complètement désordonné. Les interactions entre atomes s'effectuent sous forme de chocs. Dans un liquide, les atomes peuvent là encore bouger dans tout le volume du liquide, mais les interactions entre atomes sont plus fortes, ce qui rapproche les atomes. La distance interatomique moyenne est plus courte et le libre parcours moyen des atomes est plus court. Un liquide est donc beaucoup moins compressible qu'un gaz. Les atomes dans un liquide forment un ordre à courte distance, mais l'ordre à longue distance n'existe pas vraiment. Dans un solide, les atomes ne peuvent pas se déplacer dans tout le solide et sont coincés autour d'une position bien précise. Ils vibrent autour d'une position moyenne bien définie, l'amplitude de cette vibration augmentant avec la température. Un solide est donc plus organisé qu'un liquide ou un solide. Mais tous les solides ne sont pas égaux de ce point de vue.
 
===Les cristaux et les solides amorphes===
[[File:Cristal2D.jpg|vignette|upright=0.5|Cristal en deux dimensions. Un motif atomique est répété dans le plan. L'arrangement est défini par un motif et une maille, qui décrit la forme du motif et la manière dont il faut le recopier dans l'espace pour obtenir le cristal. Nous verrons plus en détail les mailles dans un chapitre ultérieur.]]
 
[[File:Cristal ou amorphe.svg|centre|vignette|upright=0.5|Cristal et solides amorphes.]]
 
Dans les grandes lignes, on peut opposer des solides relativement désorganisés aux solides parfaitement organisés. Les solides désorganisés sont appelés les '''solides amorphes'''. Dans ces solides, les atomes sont disposés presque aléatoirement dans l'espace, le presque signifiant que les atomes sont proches les uns des autres. Un bon exemple de ce genre de solide est le verre, qui est un solide amorphe composé uniquement de silice (mélange d'oxygène et de silicium). Le fait que les atomes soient proches signifie qu'il y a un ordre à courte distance, mais un désordre sur des distances plus longues. L'ordre se résume aux liaisons chimiques d'un atome avec ses voisins, mais guère plus. A l'inverse, un '''cristal''' a une organisation très précise, que ce soit à courte ou longue distance. Les atomes y sont disposés suivant un plan très précis, basé sur un motif en trois dimensions qui est répété dans tout le cristal.
{{définition|définition=Un cristal est un solide dans lequel les atomes sont ordonnés de façon périodique dans les trois directions de l'espace.}}
 
[[File:Cristal2D.jpg|vignette|upright=0.5|Cristal en deux dimensions. Un motif atomique est répété dans le plan. L'arrangement est défini par un motif et une maille, qui décrit la forme du motif et la manière dont il faut le recopier dans l'espace pour obtenir le cristal. Nous verrons plus en détail les mailles dans un chapitre ultérieur.]]
[[File:Cristal ou amorphe.svg|centre|vignette|Cristal et solides amorphes.]]
 
{{définition|définition=Un cristal est un solide dans lequel les atomes sont ordonnés de façon périodique dans les trois directions de l'espace.}}
 
Un bon exemple est tout simplement le sel de table, qui est un cristal comme un autre. La structure atomique du sel est composée de plusieurs cubes collés les uns aux autres, tous les sommets de chaque cube étant occupés pour moitié par un atome de sodium, pour moitié par un atome de chlore.
 
[[File:CNX UPhysics 09 06 NaCI.png|centre|vignette|upright=1.5|Arrangement des atomes dans un cristal de sel.]]
 
Un autre exemple est la glace, qui est un cristal. Elle cristallise à température et pression normale, ce qui donne le motif suivant :
 
[[File:Hex ice.GIF|centre|vignette|upright=1.5|Arrangement des atomes dans un cristal de glace normale.]]
 
Il existe d'autres matériaux solides qui ne sont, d'après la définition précédente, ni des cristaux ni des solides amorphes : ce sont les '''solides à structure ordonnée non périodique'''. On peut les voir comme des intermédiaires entre cristaux et solides amorphes, dans le sens où ces solides ont un ordre à courte et longues distances, avec des atomes qui sont disposés dans l’espace suivant une règle bien précise, mais que l'agencement des atomes n'est pas périodique. On distingue généralement trois classes de structures apériodiques : les structures modulées, les structures composites et les quasi-cristaux<ref>{{en}} Sander van Smaalen, ''Incommensurate Crystallography'', Oxford University Press, coll. « IUCr Monographs on Crystallography » (n{{exp|o}} 21), 2007, chap. 1 (« Structure and diffraction of aperiodic crystals »), p. 2 {{ISBN|978-0-19-857082-0}}</ref>. Ces matériaux ne peuvent pas être décrits par les concepts de la cristallographie géométrique détaillés dans ce livre, ce qui fait qu'ils ne seront pas traités ici.
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