Solides à réseau covalent

Définition des solides à réseau covalent

Commençons par regarder la définition des solides en réseau covalents.

Dans un solide en réseau, les atomes sont liés ensemble dans un réseau continu. Pour cette raison, il n'y a pas de molécules individuelles, de sorte que le solide entier peut être considéré comme une macromolécule (mot fantaisiste pour "grosse molécule").

Structure d'un solide à réseau covalent

Il existe deux types de solides à réseau covalent : les solides cristallins et les solides amorphes .

Lessolides cristallins en réseau sont constitués de cellules unitaires individuelles.

Si tu considères un solide en réseau covalent comme une courtepointe, les cellules unitaires sont les pièces qui se répètent sur le motif. Par exemple, voici la cellule unitaire du diamant (un réseau solide d'atomes de carbone) :

Fig.2 - Cellule unitaire du diamant

Lediamant n'est qu'une des formes que peut prendre le carbone. Les différentes formes de carbone (appelées allotropes) dépendent des différentes cellules unitaires/liaisons covalentes au sein du solide.

Comme la cellule unitaire est un "patch" de la macromolécule entière, l'ensemble de la "courtepointe" est en fait ce modèle répété de nombreuses fois.

Le deuxième type de solide covalent est amorphe. Ces solides sont également appelés"verres" et sont désordonnés comme les liquides, mais ont la rigidité d'un solide. Il existe plusieurs types de verres, le plus courant étant le dioxyde de silice (_SiO2), illustré ci-dessous :

Fig. 3 - Le dioxyde de silicium (verre) est un solide amorphe à réseau covalent.

Les lignes en pointillé montrent que la structure se poursuit au-delà de ce qui est représenté. Les petits atomes violets sont du silicium, tandis que les gros atomes verts sont de l'oxygène.

Même si la formule est _SiO2, tu verras que le silicium est lié à trois atomes d'oxygène. Comme nous l'avons mentionné précédemment, il n'y a pas de molécules individuelles dans un solide à réseau covalent. Tu ne peux pas isoler une molécule de _SiO2 parce qu'il n'y en a pas.

Comme je l'ai déjà mentionné, la foudre peut former du verre à partir du sable. Les verres se forment lorsque la substance est rapidement chauffée puis refroidie. La structure initialement ordonnée de l'atome est perturbée et le refroidissement rapide empêche l'ordre atomique de se produire.

Exemples de solides à réseau covalent

La solidité d'un solide à réseau covalent dépend de la liaison au sein du solide. Par exemple, le graphite est également un allotrope du carbone, mais il est beaucoup plus faible que le diamant. La raison pour laquelle il est plus faible est que la molécule n'est pas entièrement structurée sur la base de liaisons covalentes.

Legraphite est composé de feuilles de carbone. Chaque "feuille" individuelle est maintenue ensemble par des liaisons covalentes, mais les couches de feuilles sont maintenues ensemble par les forces intermoléculaires (entre les molécules).

La principale force qui maintient ces feuilles ensemble est l'empilement π-π. Cet empilement est dû au fait que les carbones se trouvent dans des anneaux aromatiques (structures cycliques avec alternance de liaisons simples et doubles), comme le montre la figure ci-dessous :

Fig.4-Structure du graphite

Le carbone forme normalement quatre liaisons, mais ici il n'en forme que trois. L'électron π "supplémentaire" qui serait utilisé pour la liaison devient délocalisé et peut voyager librement à travers la feuille. Les électrons π délocalisés de chaque carbone de la feuille se déplacent librement et peuvent provoquer des dipôles temporaires.

Dans un dipôle, il y a une séparation de charges opposées sur une certaine distance. Dans ce cas, ces charges sont formées lorsque les électrons sont répartis de manière inégale. Il en résulte une charge négative partielle là où il y a une plus grande densité d'électrons et une charge positive partielle là où il y a un manque d'électrons.

L'extrémité positive du dipôle attire les électrons de la feuille voisine. Cette attraction provoque une répartition inégale des électrons, ce qui entraîne la formation d'un dipôle dans cette feuille. L'attraction entre ces dipôles est ce qui maintient ces feuilles ensemble.

Essentiellement, les feuilles d'anneaux aromatiques forment des dipôles, qui provoquent des dipôles dans les feuilles voisines, ce qui les fait "s'empiler".

Les composés tels que le mica sont également formés de cette façon.

Lorsque nous avons examiné le dioxyde de silicium plus tôt, nous avons vu sa forme amorphe : le verre. Cependant, le dioxyde de silicium a également une forme cristalline appelée quartz, illustrée ci-dessous :

Fig.5 - Structure du quartz

Comme le quartz est symétrique et rigide, alors que le verre ne l'est pas, il peut être soumis à des températures et des pressions plus importantes (c'est-à-dire qu'il est plus solide).

Propriétés des solides à réseau covalent

Les propriétés des solides à réseau covalent sont en grande partie dues aux liaisons covalentes qui les composent. Ces propriétés sont les suivantes :

• Dureté

• Point de fusion élevé

• Conductivité faible ou élevée (en fonction de la liaison)

• Faible solubilité

Passons en revue chacune de ces propriétés.

Les solides à réseau covalent sont durs et fragiles. Les liaisons covalentes sont très fortes et difficiles à rompre, ce qui explique leur dureté. Le diamant, l'une des substances les plus solides sur terre, peut résister à 6 millions d' atmosphères. Ce sont des liaisons très fortes !

Cependant, les déformations qui ne nécessitent pas la rupture de ces liaisons sont plus faciles à réaliser, comme faire glisser des feuilles de graphite (cela perturbe les forces intermoléculaires, pas les liaisons). De plus, les solides amorphes sont plus faibles que les solides cristallins, car ils sont moins rigides

Les solides en réseau ont un point de fusion élevé car il est difficile de rompre les liaisons covalentes fortes. Cependant, les solides amorphes n'ont pas de point de fusion définitif. Ils fondent et se ramollissent plutôt sur une plage de températures.

La conductivité d'un solide en réseau dépend du type de liaison. Les molécules dont les feuillets sont maintenus ensemble par des forces intermoléculaires (ont des électrons délocalisés), comme le graphite ou le mica, ont une conductivité élevée. Cela s'explique par le fait que l'électricité peut "circuler" à travers ces électrons délocalisés.En revanche, les molécules qui ne sont liées que par des liaisons covalentes (qui n'ont pas d'électrons délocalisés), comme le diamant ou le quartz, ont une faible conductivité. En effet, tous les électrons sont maintenus en place par les liaisons covalentes, il n'y a donc pas de "place" pour le mouvement des électrons.Enfin, les solides à réseaux covalents sont généralement insolubles dans n'importe quel solvant. Lorsque des espèces se dissolvent, les particules de soluté (espèces qui se dissolvent) doivent s'insérer entre les particules de solvant (espèces qui se dissolvent). Les macromolécules étant très grosses, elles sont difficiles à dissoudre