4 ) Cohésion et dissociation des ions dans un cristal ionique
Les propriétés d'un cristal ionique dépendent de sa composition chimique, de l'arrangement géométrique de ses ions constituants et de ses liaisons ioniques. Ainsi, pour avoir une bonne connaissance des cristaux ioniques, il faut comprendre la chimie, les liaisons et les structures.
Un atome représente la subdivision la plus petite de la matière qui conserve les caractéristiques de l'élément. Il se compose d'un noyau très petit et massif contenant des neutrons et des protons, entouré par un espace plus grand contenant des électrons répartis sur différentes couches électroniques. Les atomes possèdent le même nombre de protons et d'électrons. Chaque proton porte une charge positive ; le neutron est neutre et chaque électron porte une charge négative. Un atome est donc électriquement neutre.
L'atome le plus simple est celui d'hydrogène qui contient un proton et un électron. Les atomes des autres éléments naturels possèdent de 2 protons (hélium) à 92 protons (uranium). Cependant, on a réussi à synthétiser des atomes plus gros jusqu'à 118 protons (ununoctium), mais plus ceci sont gros, moins ils sont stables.
La différence fondamentale entre les atomes d'éléments différents est la charge électrique du noyau. Cette charge positive est égale au nombre de protons, lui-même égal au nombre d'électrons dans un atome non chargé on appelle ce nombre le numéro atomique (Z). La somme des protons et des neutrons détermine la masse caractéristique ou le nombre de masse (N) d'un élément.
La masse d'un atome est concentrée dans le noyau parce que la masse d'un électron n'est que 1/1837 de celle d'un proton.
| Particule | Symbole | Masse Atomique (g) | Charge |
| Électron | E | 0,0005486 | -e |
| Proton | P | 1,007276 | +e |
| Neutron | N | 1,008665 | 0 |
Les rayons atomiques sont exprimés en nanomètres ou en angströms (1 nm = 10 Å). Le diamètre d'un noyau est de l'ordre de l'ordre de 10-15 m. Le diamètre d'un atome est de l'ordre de 10-10 m.
Par exemple, l'atome le plus petit, l'hydrogène (H), a un rayon atomique de 0,79 Å, tandis que l'atome le plus grand, le césium (Ce), a un rayon atomique de 2,70 Å.
À cause du mouvement rapide des électrons, le diamètre effectif d'un atome est relativement grand, jusqu'à 100 000 fois le diamètre du noyau.
Certains atomes peuvent, par la perte ou le gain d'électrons, devenir des espèces chargées : des ions.
Les éléments dans le tableau périodique peuvent être divisés en deux groupes : ceux qui ont tendance à perdre des électrons et ceux qui sont capables de gagner des électrons. Lorsqu'un atome perd un ou plusieurs électrons, les charges positives sont plus nombreuses que les charges négatives, l'ion est alors dit électropositif, on l'appelle cation. Si un atome gagne un ou plus d'électrons, il devient un ion électronégatif et on l'appelle anion.
Plusieurs éléments présents sur la Terre (Si, Mg, Fe, Al, Ca, Na, K) perdent facilement des électrons en devenant des cations. Par contre, l'oxygène gagne deux électrons en devenant un anion.
Les tailles des atomes ou des ions sont difficiles à définir et à mesurer. On appelle rayon ionique la distance entre le centre du noyau et le niveau d'énergie des électrons le plus à l'extérieur.
En général, les anions possèdent de grands rayons ioniques et les cations
possèdent de petits rayons ioniques. Cependant, le rayon ionique (ou
atomique) effectif dépend du type et du nombre d'ions et/ou d'atomes
voisins, et de la charge de l'ion. Ainsi :
- Plus l'ion possède de charges positives, plus le rayon ionique est petit
(attraction des électrons)
- Plus l'ion possède de charges négatives, plus le rayon ionique est grand
(répulsion de charges négatives)
- Pour une même charge, plus le numéro atomique est élevé, plus le rayon de
l'ion est grand (plus grand nombre d'électrons).
L'addition d'un ou plusieurs électrons à un anion entraîne un rayon ionique plus grand diminuant la force d'attraction entre les protons et les électrons. Inversement, la soustraction d'un électron à un cation donne un rayon ionique plus petit augmente la force d'attraction.
Voici les rayons ioniques de quelques ions (en pm) :
| Cations | Li+ | Na+ | K+ | Rb+ | Cs+ |
| Rayon ionique | 60 | 95 | 133 | 148 | 169 |
| Cations | Be2+ | Mg2+ | Ca2+ | Sr2+ | Ba2+ |
| Rayon ionique | 31 | 65 | 99 | 113 | 135 |
| Cations | B3+ | Al3+ | Sc3+ | Y3+ | La3+ |
| Rayon ionique | 20 | 50 | 81 | 93 | 115 |
| Cations | C4+ | Si4+ | Ge4+ | Sn4+ | Pb4+ |
| Rayon ionique | 15 | 41 | 53 | 71 | 84 |
| Anions | O2- | S2- | Se2- | Te2- | |
| Rayon ionique | 140 | 184 | 198 | 221 | |
| Anions | F- | Cl- | Br- | I- | |
| Rayon ionique | 136 | 181 | 195 | 216 |
Certains ions ont la même charge et sont presque de la même taille. Par exemple, l'ion Fe2+ a un rayon de 0,074 nanomètres (nm) tandis que l'ion Mg2+ a un rayon de 0,066 nm. À cause de leur similarité, les ions Fe2+ peuvent se substituer aux ions Mg2+ dans les minéraux qui contiennent du magnésium.
On appelle substitution ionique la substitution "au hasard" d'un ion par un autre dans un cristal. Une substitution ionique ne change pas la structure cristalline.
On appelle isotopes, les atomes d'un même élément mais qui possèdent un nombre différent de neutrons. Par exemple, l'oxygène (Z=8) possède 3 isotopes. L'isotope le plus commun a un noyau à 8 protons et 8 neutrons que l'on appelle 16O. Il existe aussi deux isotopes d'oxygène plus lourds et beaucoup plus rares, 17O et 18O. L'existence des isotopes est importante.
La molécule d'eau (H2O) est polaire : L'atome d'oxygène O attire vers lui les doublets d'électrons qui le lient aux deux atomes d'hydrogène H.
On dit que l'élément oxygène est plus électronégatif que l'élément hydrogène. On peut donc dire que les charges positives et négatives ne sont pas situées autour du même centre. Dans le tableau périodique des éléments, les éléments électronégatifs se trouvent en haut et à droite (on ne tient pas compte de la dernière colonne qui rassemble les gaz nobles, rares, non-électriquement stables), les éléments électropositifs se trouvent en bas à gauche. L'élément le plus électronégatif est donc le Fluor et le moins électronégatif le Francium.
De façon générale, ce sont les molécules polaires qui sont les plus solubles dans l'eau à tel point que parfois elles réagissent entre elles. Les molécules d'eau polaires s'orientent sous l'action de forces électriques.
Par exemple, lors de la solvatation du cristal ionique NaCl dans l'eau, les pôles négatifs (atomes O) sont attirés par des ions Na+, les pôles positifs (situés au milieu des atomes H) sont attirés par des ions Cl-.
L'étude d'un cristal ionique montre que celui-ci est constitué d'ions positifs (cations) et d'ions négatifs (anions) ordonnés dans l'espace (voir la page sur les Mailles et réseaux). Chaque ion est entouré d'ions voisins de signes opposés. La distance entre deux ions voisins est de l'ordre de quelques centaines de picomètres (1 pm = 10-12 m).
La proportion d'anions et de cations est telle que la neutralité électrique soit respectée. Les cristaux ioniques sont électriquement neutres. Le plus souvent, un cristal ionique est composé de deux éléments différents, on dit alors qu'il a une structure binaire. Mais la proportion entre anions et cations n'est pas toujours la même (pour respecter la neutralité électrique), ainsi, on quand elle comporte autant d'anions que de cations, une structure binaire est de type AB (ou AX) comme NaCl par exemple. Si l'un des deux est en proportion deux fois plus élevée que l'autre, la structure est de type AB2, et ainsi de suite pour des proportions trois voire quatre fois plus élevées.
Par exemple, le cristal de chlorure de sodium (sel de cuisine) est formé d'ions Na+ et Cl-. Chaque ion est entouré de six ions d'espèce différente disposés en octaèdre. Dans un tout petit grain de sel de cuisine cette disposition se répète des millions de fois.
Remarques : Avant, on appelait sel l'association d'ions positifs (autre que l'ion H+) et d'ions négatifs (autres que l'ion HO-), maintenant appelés cristaux ioniques. Par exemple NaCl, CaF2, Al2(SO4)3 sont des cristaux ioniques. Il en existe beaucoup d'autres.
Il faut savoir que les cristaux sont composés d'ions, cependant ces ions sont séparés par des vides. Par conséquent, sous certaines conditions (éléments plus ou moins électronégatifs qu'un des composés présents dans le cristal,… ) une impureté peut être présente dans le cristal…
Lorsque des ions de charges opposées se lient pour former une structure cristalline, chaque ion est entouré, ou en coordinence, avec le nombre maximal d'ions de charges opposées compte tenu de leur taille. Les ions de coordinence se groupent autour de l'ion central de manière telle que leurs centres se trouvent aux sommets d'un polyèdre. Ainsi, dans une structure cristalline stable, chaque cation se trouve au centre d'un polyèdre de coordinence d'anions.
On appelle nombre de coordinence, le nombre d'anions de ce polyèdre, et ce nombre est déterminé par leurs tailles relatives. Il existe une restriction importante pour les structures cristallines ioniques : dans ce cas, pour que la structure soit stable, il faut que le nombre total d'ions corresponde à un cristal électriquement neutre. Toutefois, du fait de l'alternance d'ions électropositifs et électronégatifs, la face d'un cristal ionique est une succession de pôles électropositifs et négatifs (mais reste neutre dans sa globalité).
Les variables les plus importantes qui déterminent l'extension de la
solution solide sont :
La cohésion de cette structure ordonnée (ou cristal) est assurée par les forces électriques de Coulomb et par les liaisons ioniques.
Chaque ion est soumis à un grand nombre de forces électriques dont la résultante est nulle (à très basse température).
Remarques :
- Plus l'ion possède de charges positives, plus l'attraction avec des
ions possédant des charges négatives est forte.
- Plus l'ion possède de charges négatives, plus la répulsion avec des
ions possédant des charges négatives est forte.
La plupart des minéraux sont des composés, ils sont formés d'atomes et d'ions arrangés dans une structure cristalline. Cette structure est caractérisée par une périodicité à toutes échelles. Les atomes et les ions se combinent en proportions spécifiques et sont liés par des forces électriques qui forment des liaisons chimiques.
On appelle liaison ionique, la liaison formée lorsqu'un ou plusieurs électrons d'un atome sont transférés à un autre. Le minéral résultant est neutre, la charge est égale à 0.
En général pour les liaisons ioniques :
| Nature de la liaison ionique | Attraction électrostatique entre des ions de charge différente |
| Propriétés structurales | non dirigée, coordination élevée entre les ions, structure dense |
| Propriétés mécaniques | Liaisons très énergétiques |
| Propriétés thermiques | Température de fusion assez élevée |
| Propriétés électriques | isolants moyens, mauvais conducteurs électriques |
| Exemple de liaison ionique | halite NaCl |
Par exemple, considérons le minéral halite, NaCl, qui est en fait le sel de cuisine. Le sodium est un métal doux et extrêmement réactif qui a un seul électron dans son orbitale extérieure. Cet électron se perd très facilement en laissant le sodium avec une charge positive. Quand les deux atomes réagissent, chaque atome de Na perd un électron et forme un cation de Na+. L'électron est transféré à un atome de Cl ce qui forme un anion de Cl-. Les atomes et les ions se combinent en proportions égales. Les deux ions s'attirent à cause de leurs charges opposées et forment le minéral halite, NaCl.
La formation des ions Na+ et Cl- obéit à la règle de l'octet :
L'atome de sodium Na : (K)2(L)8(M)1 a donné naissance à l'ion stable Na+ : (K)2 (L)8 avec huit électrons sur sa couche externe.
L'atome de sodium Cl : (K)2(L)8(M)7 a donné naissance à l'ion stable Cl- : (K)2(L)8(M)8 avec huit électrons sur sa couche externe.
Pour plus d'informations, voir aussi la page sur les Forces de cohésion d'un cristal ionique.
Remarque : si on apporte de l'énergie calorifique à ce cristal ionique, les ions se mettent à vibrer autour de leur position moyenne. Si on atteint la température de fusion, le cristal est détruit et on obtient un liquide ionique.
Par exemple, par apport de chaleur, les ions Na+ et Cl- vibrent de plus en plus. Ces vibrations sont capables de blesser la peau (brûlure). À la température de fusion tF = 801 °C, le cristal est détruit, on obtient du sel fondu, dans lequel les ions sont devenus mobiles. Par électrolyse on peut préparer du dichlore Cl2 et du sodium Na.