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Structure du carbone solide (mines MP 2006) Le carbone solide existe dans la nature sous deux structures cristallines différentes : le graphite et le
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CRISTALLOGRAPHIE
EXERCICES
=6,02×10 mol 1LEMAGNÉSIUM
permettentlaphotosynthèse.L'élémentmagnésium
1) Donnerlaconfigurationélectroniquedel'atomedemagnésiumdanssonétatfondamental.On
donne:í µ Mg =12.2) Donnerlapositiondel'élémentmagnésium(numérosdeligneetdecolonne)dansla
classificationpériodique.3) Envisagerlesdifférentespossibilitésdeformationd'ionsà partirdel'atomedemagnésium.
Structurecristalline
(í µ=í µ=90°)et denormeí µ>í µ.4) Dessinerlamailleélémentaireenfonctiondeladescriptionprécédente.
5) Labaseduprismereprésenteunpland'empilementcompactd'atomes(appeléplanA);
6) L'atomesituéauxcoordonnées=
B.7) Lelosangesupérieurduprismeestà nouveauunpland'empilementcompactA,puisqu'ilest
danscetypedemaillecristalline.8) Calculerlacompacitéoucoefficientderemplissagedelastructure.
9) Ladensitédumagnésiummétalparrapportà l'eauestí µ
Mg ≈1,7.Endéduireunevaleur Mg ≈24g⋅molPage2sur8
2LENIOBIUM
O .Ill'avaitbaptisé dansdiversespublications. paramètredemailleí µ=330pm.Lamassemolaireduniobiumestde:í µ
Nb =92,9g⋅mol1) Dessinerlamailleducristaldeniobium(maillecubiqueavecdesatomesà chaquesommetdu
cubeainsiqu'aucentreducube)2) Déterminerlapopulationdecettemaille.
3) Calculerlamassevolumiqueattenduepourleniobiumetcompareraveclamassevolumique
expérimentale:í µ=8570kgâ‹…m4) Dansunmodèledesphèresdures,déterminerlerayonatomiqueduniobium.
5) Définiretcalculerlacompacitédelastructurecubiquecentrée.Lacomparerà celledela
structurecubiqueà facescentrées. 3FERETACIERS
Leferí µ
rayondufervautí µ =124pm.1) Montrerqu'ils'agitd'intersticesoctaédriquesnonréguliers.
2) DéterminerlaformuleducomposéXquiauraittouslessitesoctaédriquesoccupés.
3) Calculerlataille(oul'habitabilité)del'intersticeoctaédrique,c'est-à -direlerayonthéoriqueí µâ€²
4) Lerayonatomiqueducarboneestenréalitédeí µ=77pm.Évaluerlacompositionlimitedela
solutionsolideFeC nesoitglobalementpasdéformé.Leferí µ
cettestructure,lerayondufervautí µ =127pm.5) Calculerlatailledesintersticesoctaédriques.Quellehypothèsepeut-onfaireapriorisurla
6) Pourvérifiercettehypothèse,calculerlanouvellecompositionlimiteFeC
aveclesmêmesPage3sur8
4LETITANEETSESALLIAGES
Letitanepur
etleTi .LeTi ,stableà températureet1) Définirletermede"variétéallotropique».Desvariétésallotropiquespossèdent-ellesles
mêmespropriétésphysiques?2) Calculerlerayondel'atomedetitanedanscetteespècecristallographique,à partirdelamasse
3) MontrerquelecoupleTiO
êtrepassivéparsonoxyde.
Ondonne:
Massesvolumiques:í µ
Ti =4503kgâ‹…m TiO =4260kgâ‹…mMassesmolaires:í µ
Ti =47,90gâ‹…mol O =16,00gâ‹…molStructured'unalliagedutitane,Al
Ni Ti Ni Ti .Letitaneyestprésent4) Représenterlamailleenperspective.
5) Déterminerlaformuledel'alliage.
6) Àpartirdurayonatomiqueí µ
Ti paramètreréelí µetcommenter.7) Exprimerlatailledessitesoctaédriquesetcelledessitestétraédriquesenfonctiondeí µ
Ti et est-ellepossible?8) Calculerlacompacitéetlamassevolumiquedecetalliage.
9) Comparerlesvaleurstrouvéesprécédemmentauxcaractéristiquesmoyennesd'unacier
courant:í µ acier =7800kgâ‹…mTableaudedonnées:
Ti0,14747,90
Al0,14326,98
Ni0,12458,70
5 atmosphérique: - uneformemétastabledanslesCNTP,lediamant:lamailleélémentaireestuncubedecôtÃ©í µ= coordonnées= >et=Page4sur8
- uneformestabledanslesCNTP,legraphite:leréseauesthexagonal.Ilpeutêtreconsidérécomme142pm.
0 =543pm.1) Quesignifiequelediamantestuneforme"métastabledanslesCNTP»?Proposerdes
question.2) Dessinerlamailleducarbonediamant,d'aprèsladescriptionprécédente.
atomiques'agit-ilici?Justifier.222kJâ‹…mol
Commenter.
3) D'aprèsledocumentsurlecarbone,dessinerunemaillehexagonaledugraphiteetcalculerle
lesparamètressontnotésí µ 1 etí µ 1 surledocument. ladifférenceobservée. legraphite.Calculercerayon.4) Calculerlesmassesvolumiquesdudiamant,dusiliciumetdugraphite,sachantquelesmasses
6 "GAZ»NOBLESÀL'ÉTATSOLIDE (voirtableau)pourobtenirdescristaux.1) Représenterunemaillecubiqueà facescentréesetcalculerlacompacité.
2) Calculerlamassevolumiqueà l'étatsolidepourchacundes"gaz»nobles.
3) Quellessontlesvaleursdesrayonsatomiques?
4) Pourquoiclasse-t-oncescristauxparmilescristaux"moléculaires»?Queltypedeforceunitles
5) Calculerl'énergied'uneliaisonentredeuxatomesd'argonsachantquel'énergiedesublimation
6) Justifierl'évolutiondestempératuresdefusionquandonpassedunéonauxénon.
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Données:
Gaznoblenéonargonkryptonxénon
Numéroatomique10183654
Massemolaire(gâ‹…mol
20,239,983,8131,3
Paramètredemaille(pm)452543559618
Températuredefusion(K)24,583,9116161
7LAGLACEI-H
de 21) Représenterunemailledelaglace-I(placerlesatomesd'oxygène).
2) Queltyped'intersticesduréseauHCoccupentlesatomes"supplémentaires»évoquésdansla
description?Enquelleproportion?3) Proposerunepositionpourlesatomesd'hydrogèneenexpliquant.
4) Préciserlenombredemoléculesd'eauparmaille.
5) Quellessontlesforcesintermoléculairesquel'onpeutenvisager?Ondécriral'originedes
interactionscitées. 8RAYONIONIQUEDUCÉSIUM
volumiques.Ondonnelesmassesmolairesengâ‹…mol
LamassevolumiquedeNaClvaut2,163gâ‹…cm
,celledeCsClvaut3,990gâ‹…cmSachantquelerayonioniquedeNa
3 9STRUCTUREDEL'OXYDECHROMIQUE
avecdesionsO seulementaumilieudesarêtes.1) Représenterlamailled'aprèsladescription.Préciserlemotifparlescoordonnéesdesions.
2) Quelestlachargedesionsduchrome?
3) Quelestl'environnement(lacoordinence,lagéométrie)autourdesionsduchrome?de
l'oxygène? et0,052nmpourlesions cation/cation).Commenter.4) Lamassevolumiquemesuréeestí µ=2,74gâ‹…cm
.Est-ceenaccordaveclavaleurthéorique? etcelleduchromeestde52,0g⋅molPage6sur8
10O,MgOetAl
O • Na occupentunréseau cubiqueà facescentréesetlesionsNa 3 tétraédriquesdeceréseau. • MgOcristallisedansunréseaudetypeNaCl(voirdocument"lescristauxioniques»). • DanslastructurecristallinedeAl O (variétécorindon),lesionsO formentunempilement hexagonalcompactetlesionsAl #3 empilement.1) Justifierl'évolutiondurayonioniquedanslasérieNa
3 ,Mg "3 ,Al #3 ,aprèsavoirdonnéla configurationélectroniquedecesions.2) DessinerlamailledeNa
(rappel:lafluorineestlastructureCaF3) DessinerlamailledeMgO.
4) Dessinerleprismedroità baselosangecaractéristiqueduréseauhexagonaletyplacerlesions
O delastructureAl O en correspondbienà laformuleAl O5) Déterminerlacoordinencedel'ionO
danschacunedestroisstructures.6) CalculerlavaleurdurayondeO
observées.7) Justifierqualitativementl'évolutiondescaractèresioniquevscovalentducristaldanslasérie
NaO,MgOetAl
ODonnées:
Numérosatomiques:Na:11;Mg:12;Al:13
Rayonsioniques(pm):Na
3 :113;Mg "3 :86;Al #3 :67Arêtesdemaille(pm):Na
O:556,5;MgO:424;Al
O :270(arêtedulosangedebase) 111) Lesionsiodure,derayoní µ
Ià facescentrées,lesionsCu
3 ,derayoní µ Cu 3 a) Indiquerlescoordonnéesrelativesdesionsioduredelamaille. b) Préciserlenombredecationscuivre(I). c) Lesitetétraédriqueintérieurà lamaille,leplusprochedel'origine,estoccupéparunion Cu 3 d) EndéduirelanatureduréseaudesionsCu 32) Dansl'édificationd'uncristalionique,lesionslespluspetitstendentà écarterlesionslesplus
gros,dechargesopposées. a) Quelleconditiondoitvérifierlerapport 4 Cu 4 I pourquelesanionsnesoientpasencontact b) Évaluerleparamètredemaillethéoriqueí µ c) Comparercettevaleurí µÃ lavaleurréelleí µ=615pm.
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3) Lastructureblendeprésentedefortesanalogiesaveclastructuredudiamant.Eneffet,en
retrouvelamailledudiamant.a) Aprèsavoirécritlaconfigurationélectroniquedesélémentscuivre(í µ=29)etiode(í µ=
b) Analyserlacohérenced'unmodèlecovalentpourlaliaisonCu_I,surlabasedesrayons4) LecarburedesiliciumSiCoucarborundumestisostructuraldeCuI.Leparamètredelamaille
estí µ=436pm. a) Calculerlerayoní µ Si C 77pm.b) Déterminerlamassevolumique,puisévaluerlacompacitéduréseaudecarborundum C =12,0gâ‹…mol Si =28,1gâ‹…mol c) Commentpeut-onexpliquerquelecarburedesiliciumsoituncomposétrèsdur, réfractaireetinertechimiquement? 12
PROBLÈME:ÉTUDEDECOMPOSÉSDUBORE
Lesparties1),2)et3)sontindépendantes.
Données:
§ Massesmolairesatomiques(g⋅mol
):Zr:91,22;B:10,81;N:14,01.§ Constanted'Avogadro:í µ=6,02×10
mol ,V B ,Ni B ,CeB ,AsB ,NaB ,...maisaussi températures.1) Dansleboruredezirconium,les
atomessontorganiséssuivantune alternancedeplanscompacts d'atomesdezirconium,oùlafigurede baseestunlosange(figure1),etde plansd'atomesdeboreoùlesatomes encontactavectroisautresatomes formentdeshexagonesréguliers (figure2). Zr etí µ B ,permettentl'empilementFigure2:plansformÈspar
lesatomesdeboreFigure1:plansformÈspar
lesatomesdezirconiumFigure1:plansforméspar
lesatomesdezirconiumFigure2:plansformés
parlesatomesdeborePage8sur8
a) Représenterlamailledeboruredezirconium(onprendracommemailleunprismedroità lahauteurduprisme). b) Enraisonnantsurl'atomicitédelamaille,déterminerlaformuleduboruredezirconium. c) Quellerelationya-t-ilentreí µ B etí µ Zr d) Calculerlamassevolumiquedecesolide.Ondonnelavaleurdeí µ:330pm. e) Quelleestlatailleduplusgrossited'insertiondanscettestructure? f) Déterminerlacompacitédecettestructure,c'est-à -direlepourcentagedevolume réellementoccupéparlesatomes.2) Dansd'autresboruresmétalliquesdeformuleM
B,lesatomesmétalliquesMoccupentles
a) Représenterlessitesoctaédriquesd'unestructurecfc.Quelleestlavaleurminimaledeí µ? b) Quelleestlavaleurdeí µsileboreoccupeenalternanceuncentredemaillesurdeux? c) Quelleinégalitédoiventvérifierlesrayonsdesatomesí µ B etí µ M pourquelemétalforme unréseaucompact? d) Montrerquelamesuredelamassevolumiquepermetdedéterminerlavaleurdeí µ.On M B ,durayonde l'atomemétalliqueí µ M etdelaconstanted'Avogadroí µ.3) Dansleborured'azotedeformuleBN,lesatomesdeboreet
a) Quelleestl'atomicitéduprismedroità basehexagonale représentéfigure4? b) Exprimerlevolumedeceprismeenfonctiondeí µetdeí µ. c) Déterminerlamassevolumiquedecettevariété polymorphiqueduborured'azote.Figure3:positionsrelativesdes
plansdÃatomesdezirconium etdesplansd'atomesdebore a cFigure4:structuredeBN
Figure3:positionsrelativesdes
plansd'atomesdezirconiumet desplansd'atomesdeboreFigure4:structuredeBN
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