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Synthèse et propriétés des matériaux amorphes, organisés, plastiques

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Objectif(s)

La matière existe sous trois états : l’état solide, l’état liquide et l’état gazeux.
Il existe plusieurs types de matériaux qui, à l’état solide, n’ont pas les mêmes propriétés physiques.
Quels sont ces différents types de matériaux ? En quoi leur structure microscopique explique-t-elle leurs propriétés ? Comment synthétise-t-on ces matériaux ?

1. Les différents types de matériaux

Les matériaux ont des propriétés différentes qui s’expliquent par leur structure microscopique.

a. Les matériaux organisés

Les solides cristallins (métaux, sels ioniques) et les céramiques sont des matériaux organisés.
A l’état microscopique, les atomes, les ions ou les molécules qui les constituent sont régulièrement disposés en réseaux dans l’espace.

Exemples de structures cristallines :


Diamant	Graphite	Silice cristalline

La structure organisée de ces matériaux permet d’expliquer leurs propriétés physiques :
• pour le diamant, la structure hexagonale explique la très grande dureté.
• pour le graphite, la structure en feuillets hexagonaux explique la faible dureté et le clivage (séparation en feuillets).

b. Les matériaux amorphes

Le verre est un matériau dont la structure est non cristalline .

Un solide non cristallin comme le verre est appelé matériau amorphe.

La structure des matériaux amorphes, généralement à base d’oxyde de silicium, présente un désordre : les atomes n’ont aucune organisation à l’état microscopique.

La structure désorganisée explique l’existence de la transition vitreuse : au dessous d’une température Tg, le matériau est à l’état vitreux (aspect transparent). Cette structure désordonnée explique aussi la fragilité du verre.

c. Les matières plastiques

Les matières plastiques sont constituées de matériaux polymères synthétiques (polyéthylène, polystyrène). Les polymères sont formés à partir de motifs reliés les uns aux autres. Ils présentent plusieurs types de structures, en fonction du mode de liaison entre les motifs : linéaires, ramifiées. Certains polymères ont des réseaux semi-cristallins : ils contiennent certaines zones amorphes et d’autres cristallines.


Structure linéaire	Structure ramifiée

• Les polymères dont la structure est linéaire sont thermoélastiques ; lorsqu’on les chauffe, ils deviennent élastiques et mous.
• Les polymères dont la structure est en réseau sont thermodurcissables : lorsqu’on élève la température, ils durcissent et deviennent cassants.
Les propriétés mécaniques du polymère sont directement liées à sa structure.

2. Synthèse des matériaux

Les matériaux cristallins, amorphes ou plastiques peuvent être synthétisés au laboratoire.

a. Synthèse des matières plastiques

Les matières plastiques sont constituées de polymères et d’additifs.

• Polymérisation par addition

Le polymère est obtenu par addition d’un très grand nombre de molécules qui se lient les unes aux autres.
On obtient des molécules longues, constituées d’un grand nombre de motifs.

• Polymérisation par élimination ou polycondensation

Le polymère est obtenu par addition d’un très grand nombre de molécules qui se lient les unes aux autres avec élimination d’une petite molécule (eau, chlorure d’hydrogène).
Il existe plusieurs types de polycondensation : on peut obtenir des molécules longues, constituées d’un grand nombre de motifs ou des molécules ramifiées

b. Synthèse des matériaux cristallins

Les matériaux cristallins se trouvent à l’état naturel.
On peut aussi les synthétiser au laboratoire ; pour cela, il faut refroidir lentement un corps liquide (changement d’état) ou le faire cristalliser (évaporation).

Exemple : On prépare un mélange d’acide benzoïque et d’eau.
On laisse l’eau s’évaporer lentement ; il se forme des cristaux d’acide benzoïque.

c. Synthèse de matériaux amorphes

Les matériaux amorphes se trouvent à l’état naturel. On peut aussi les synthétiser au laboratoire ; pour cela, il faut refroidir rapidement un corps liquide.

Exemple : pour fabriquer du verre, on chauffe un mélange de sable, de chaux et de soude à 1500 °C. Une fois fondu, on façonne le verre à l’air ; celui-ci se refroidit rapidement.

L'essentiel

A l’état solide, les atomes, les molécules ou les ions sont organisés ou pas au sein de la matière.
Dans les matériaux amorphes, il n’y a aucune organisation ; dans les matériaux cristallins, les atomes sont organisés en réseaux ; dans les matières plastiques, les molécules sont soient linéaires, soient ramifiées.
La structure de la matière explique ses propriétés mécaniques.
Pour synthétiser un matériau, il existe plusieurs méthodes : polycondensation, polyaddition, refroidissement rapide ou refroidissement lent.

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