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Chimie · Prépa concours post-bac — CPGE (dossier & entretien)

Cristallographie : Solides cristallins

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

  • Maille cubique : Unité de base définie par $a$.
  • Cubique Simple (CS) : 1 atome par maille ($Z=1$), $a = 2R$, coordinence = 6.
  • Cubique Centré (CC) : 2 atomes par maille ($Z=2$), $a\sqrt{3} = 4R$, coordinence = 8.
  • Cubique Faces Centrées (CFC) : 4 atomes par maille ($Z=4$), $a\sqrt{2} = 4R$, coordinence = 12.
  • Compacité ($C$) : $C = \frac{Z \times V_{atome}}{V_{maille}}$.
  • Masse volumique ($\rho$) : $\rho = \frac{Z \times M}{N_A \times a^3}$.

Méthodes à maîtriser

  1. Calcul de Z : Sommet (1/8), Face (1/2), Centre (1).
  2. Relation a et R : Toujours chercher le contact le long de la diagonale (face ou cube).
  3. Sites interstitiels :
    • CFC : 8 sites tétraédriques, 4 sites octaédriques.

Exemples corrigés

  • Exemple CFC : $Z = 8 \times (1/8) + 6 \times (1/2) = 4$.
  • Compacité CFC : $C = \frac{4 \times \frac{4}{3}\pi R^3}{a^3}$. Avec $a = \frac{4R}{\sqrt{2}}$, on trouve $C \approx 0,74$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de convertir $a$ en cm pour le calcul de $\rho$.
  • Confondre la diagonale d'une face ($a\sqrt{2}$) avec celle du cube ($a\sqrt{3}$).
  • Se tromper dans le nombre de sites interstitiels.

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Cristallographie : Solides cristallins

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Quelle est la coordinence d'un cristal cubique simple ?

❓ Questions fréquentes

C'est quoi le paramètre de maille a ?

C'est la longueur de l'arête du cube qui constitue la maille. Elle s'exprime souvent en picomètres (pm) ou Angströms (Å).

💡 À retenir : $1 \text{ Å} = 10^{-10} \text{ m}$.

Kifach n7seb Z (nombre d'atomes par maille) ?
  1. Tu comptes les atomes sur les sommets : chaque sommet appartient à 8 mailles, donc $N_{sommet} \times 1/8$.
  2. Tu comptes les atomes sur les faces : chaque face appartient à 2 mailles, donc $N_{face} \times 1/2$.
  3. Tu comptes l'atome au centre : il appartient à 1 seule maille, donc $N_{centre} \times 1$.
  4. Tu fais la somme.

💡 À retenir : $Z = \sum (n_i \times \text{fraction})$.

C'est quoi la différence entre site tétraédrique et octaédrique ?
  1. Le site tétraédrique est formé par 4 atomes disposés aux sommets d'un tétraèdre.
  2. Le site octaédrique est formé par 6 atomes disposés aux sommets d'un octaèdre.

💡 À retenir : Le site octaédrique est plus grand que le site tétraédrique.

Chno hiya l'coordinence f l'cubique centré ?

Dans une maille cubique centrée (CC), l'atome au centre est en contact avec les 8 atomes situés aux sommets du cube. Donc, sa coordinence est 8.

💡 À retenir : La coordinence est le nombre de plus proches voisins.

Comment calculer la masse volumique ?
  1. Calcule la masse d'une maille : $m = \frac{Z \times M}{N_A}$.
  2. Calcule le volume de la maille : $V = a^3$.
  3. Divise $m$ par $V$.

💡 À retenir : Attention aux unités, $a$ doit être en cm pour avoir $\rho$ en g/cm³.

Est-ce que la compacité peut être supérieure à 1 ?

Non, la compacité est le rapport entre le volume occupé par les atomes et le volume total de la maille. Elle est toujours inférieure à 1.

💡 À retenir : $C < 1$ car il y a toujours des vides entre les atomes.

Kifach n3ref wach l'atome kayn f l'face wla f l'wst ?

C'est donné par le type de structure (CS, CC, CFC). Si on te dit "structure CFC", tu sais automatiquement qu'il y a des atomes sur les faces.

💡 À retenir : Apprends par cœur les positions pour chaque type de maille.

Pourquoi on utilise NA dans le calcul de la masse volumique ?

$N_A$ (nombre d'Avogadro) permet de passer de la masse molaire (g/mol) à la masse d'un seul atome (g).

💡 À retenir : $m_{atome} = M / N_A$.

Comment savoir le nombre de sites interstitiels ?

Pour une structure CFC :

  1. Il y a 4 sites octaédriques (1 au centre + 12 sur les arêtes/4).
  2. Il y a 8 sites tétraédriques (situés dans les petits cubes de côté $a/2$).

💡 À retenir : Ces valeurs sont spécifiques à la structure CFC.

Est-ce que la coordinence change si on change d'élément ?

Non, la coordinence dépend uniquement du type de réseau cristallin (CS, CC, CFC), pas de la nature de l'atome.

💡 À retenir : La géométrie prime sur la nature chimique.

Pourquoi le cubique faces centrées est plus compact ?

Parce que les atomes sont mieux "rangés" (empilement compact), ce qui laisse moins de vide par rapport au cubique simple.

💡 À retenir : $C_{CFC} (0,74) > C_{CC} (0,68) > C_{CS} (0,52)$.

Comment exprimer a en fonction de R ?
  1. Identifie la direction de contact (diagonale de face ou du cube).
  2. Écris la relation géométrique (ex: $a\sqrt{2} = 4R$ pour CFC).
  3. Isole $a$.

💡 À retenir : Le contact se fait toujours entre les atomes les plus proches.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soit un métal cristallisant dans une structure cubique centrée (CC) de paramètre $a = 330 \text{ pm}$.

  1. Calculer le nombre d'atomes par maille.
  2. Calculer le rayon atomique $R$.
  3. Calculer la compacité.
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Exercice 2

Le cuivre cristallise dans le système CFC. Sa masse volumique est $\rho = 8,96 \text{ g/cm}^3$. Masse molaire $M = 63,5 \text{ g/mol}$. Calculer le paramètre de maille $a$.

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Exercice 3

Démontrer que dans une maille CFC, il y a 4 sites octaédriques.

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