Au cœur des matériaux cristallins

À température et pression nulles, tous les éléments du tableau périodique, à l’exception de l’Hélium, se trouvent à l’état cristallisé. On peut conclure qu’il existe des forces d’attraction entre atomes de même nature qui sont suffisantes pour assurer la cohésion de l’édifice cristallin. Il s’agit essentiellement de forces électrostatiques entre électrons et entre électrons et noyaux. On peut également observer que les cristaux sont des corps relativement difficiles à comprimer, ce qui traduit la présence de forces de répulsion qui ne deviennent importantes qu’à courte distance.

L’énergie d’interaction des atomes dans le cristal résulte de ces deux effets et est schématisée ci-dessous.

À la distance d’équilibre des atomes dans le cristal \((d_0)\), l’énergie d’interaction présente une valeur minimale appelée énergie de cohésion \((U_0)\). Cette énergie correspond à l’énergie nécessaire pour transformer le cristal en un ensemble d’atomes libres. Cette énergie de cohésion varie très fortement d’un élément à l’autre, elle est très fortement liée à la structure électronique (voir tableau suivant) et au type de liaisons qui s’établissent entre les atomes.

Il s’agit d’une liaison faible qui est la principale interaction attractive dans les cristaux de gaz rares et de nombreuses molécules organiques. Cette interaction est due aux moments dipolaires permanents ou induits par chaque atome sur ses voisins.

Ce type de liaison est caractéristique des métalloïdes. Ce type de liaison s’applique aux éléments (éléments des colonnes \(IIB\) à \(VIB\)) dont la couche électronique externe est incomplète, pour lesquels il existe un manque allant de un à cinq électrons. Cette affinité se caractérise par une mise en commun, par les atomes, de leurs électrons situés sur les couches de valence (il y a formation d’une orbitale moléculaire).

Il s’agit d’une liaison forte et dirigée qui peut être homopolaire (Carbone diamant, semiconducteur \(\ce{Si}\), \(\ce{Ge}\)) ou hétéropolaire (\(\ce{AlN}\), semiconducteur \(\ce{GaAs}\)).

Dans une molécule à deux atomes différents, il y a possibilité de polarisation électrique de la liaison dans le cas où un des deux atomes attire plus que l’autre les électrons mis en jeu. On classe ainsi les éléments en fonction de leur électronégativité (pouvoir d’attirer les électrons de valence). Si un des deux atomes est très électronégatif et donc que la liaison (de type covalent) est très polarisée, on tend vers une liaison de type ionique. Ce type de liaison s’établit généralement entre un atome ayant beaucoup d’électrons de valence et un atome ayant peu d’électrons de valence.

Il est relativement rare de rencontrer des liaisons purement covalentes ou purement ioniques. Selon l’électronégativité des atomes, le caractère ionique ou covalent est plus ou moins marqué.

Il s’agit d’une liaison forte non directionnelle. Elle concerne les éléments ayant peu d’électrons (un, deux ou trois) sur leur couche externe. Les électrons de valence des atomes sont mis en commun et forment en commun un nuage électronique entourant les atomes ionisés. Ils sont appelés électrons de conduction et confèrent aux métaux leur forte conductivité électrique par exemple.

Les métaux sont caractérisés également par une forte conductivité thermique, une grande compacité et une haute symétrie.