Au cœur des matériaux cristallins

Dans les solides covalents, le nombre n de premiers voisins d’un atome donné, est égal à \(8 - N\) où \(N\) est le nombre d’électrons participant à la liaison (ou le numéro de la colonne du tableau périodique dont est issu l’élément).

Par exemple, dans le cas du carbone diamant \((\ce{2s^2 2p^2})\) ou du silicium \((\ce{3s^2 3p^2})\), chaque atome est entouré de quatre premiers voisins (angle entre les liaisons : 109,5°). Cette structure appartient au réseau \(\ce{CFC}\), elle est communément appelée structure cubique diamant.

Dans le cas de la silice (\(\ce{SiO2}\)) l’unité de base est un tétraèdre composé d’un atome de silicium et de quatre atomes d’oxygène. Pour assurer la neutralité électrique de l’ensemble, il faut deux fois plus d’ions oxygène (\(\ce{O^{2-}}\)) que d’ions silicium (\(\ce{Si^{4+}}\)). Ainsi un ion oxygène doit être partagé par deux tétraèdres unis par leur sommet. La figure ci-dessous présente deux formes allotropiques de la silice (quartz / hexagonal et cristobalite \(\beta\) / cubique). La stabilité de ces deux formes dépend de la température et des conditions de refroidissement. Remarquons que si la vitesse de refroidissement au cours de la solidification est suffisamment rapide, les tétraèdres n’ont pas le temps de s’arranger et l’on obtient la silice vitreuse qui est amorphe.

Les silicates dont l’importance industrielle est énorme (matière première des céramiques) ont des structures dérivées de celle de la silice. On retrouve toujours comme unité de base les tétraèdres \(\ce{(SiO4)^{4-}}\), liés par l’intermédiaire d’ions métalliques qui cèdent leurs électrons pour établir les liaisons.