Introduction à la Chimie

Termes

• metalAny d’un certain nombre d’éléments chimiques du tableau périodique qui forment une liaison métallique avec d’autres atomes métalliques; généralement brillant, quelque peu malléable et dur, souvent conducteur de chaleur et d’électricité.
• orbite moléculaire Le comportement mécanique quantique d’un électron dans une molécule décrivant la probabilité de la position et de l’énergie particulières de l’électron; approximé par une combinaison linéaire d’orbitales atomiques.
• Voltagela quantité de potentiel électrostatique entre deux points de l’espace.

Conducteurs par rapport aux isolants

Un conducteur est un matériau qui contient des charges électriques mobiles. Dans les conducteurs métalliques tels que le cuivre ou l’aluminium, les particules chargées mobiles sont des électrons. Les charges positives peuvent également être mobiles, telles que le ou les électrolytes cationiques d’une batterie ou les protons mobiles du conducteur de protons d’une pile à combustible. Les isolants sont des matériaux non conducteurs avec peu de charges mobiles; ils ne transportent que des courants électriques insignifiants.

Pour décrire les conducteurs en utilisant le concept de théorie des bandes, il est préférable de se concentrer sur les conducteurs qui conduisent l’électricité à l’aide d’électrons mobiles. Selon la théorie des bandes, un conducteur est simplement un matériau dont la bande de valence et la bande de conduction se chevauchent, permettant aux électrons de circuler à travers le matériau avec une tension appliquée minimale.

Théorie des bandes

En physique du solide, la structure des bandes d’un solide décrit les plages d’énergie, appelées bandes d’énergie, qu’un électron dans le solide peut avoir (« bandes autorisées ») et les plages d’énergie appelées bandes interdites (« bandes interdites »), qu’il peut ne pas avoir. La théorie des bandes modélise le comportement des électrons dans les solides en postulant l’existence de bandes d’énergie. Il utilise avec succès la structure de bande d’un matériau pour expliquer de nombreuses propriétés physiques des solides. Les bandes peuvent également être considérées comme la limite à grande échelle de la théorie des orbitales moléculaires.

Les électrons d’un seul atome isolé occupent des orbitales atomiques, qui forment un ensemble discret de niveaux d’énergie. Si plusieurs atomes sont réunis en une molécule, leurs orbitales atomiques se divisent en orbitales moléculaires distinctes, chacune avec une énergie différente. Cela produit un nombre d’orbitales moléculaires proportionnel au nombre d’électrons de valence. Lorsqu’un grand nombre d’atomes (1020 ou plus) sont réunis pour former un solide, le nombre d’orbitales devient extrêmement important. Par conséquent, la différence d’énergie entre eux devient très faible. Ainsi, dans les solides, les niveaux forment des bandes d’énergie continues plutôt que les niveaux d’énergie discrets des atomes isolément. Cependant, certains intervalles d’énergie ne contiennent pas d’orbitales, formant des bandes vides. Ce concept devient plus important dans le contexte des semi-conducteurs et des isolants.

Dans une bande d’énergie, les niveaux d’énergie peuvent être considérés comme un quasi continuum pour deux raisons:

1. La séparation entre les niveaux d’énergie dans un solide est comparable à l’énergie que les électrons échangent constamment avec les phonons (vibrations atomiques).
2. Cette séparation est comparable à l’incertitude énergétique due au principe d’incertitude de Heisenberg pour des intervalles de temps raisonnablement longs. En conséquence, la séparation entre les niveaux d’énergie n’a aucune conséquence.

Conducteurs

Tous les conducteurs contiennent des charges électriques, qui se déplacent lorsqu’une différence de potentiel électrique (mesurée en volts) est appliquée sur des points distincts du matériau. Ce flux de charge (mesuré en ampères) est ce qu’on appelle le courant électrique. Dans la plupart des matériaux, le courant continu est proportionnel à la tension (déterminée par la loi d’Ohm), à condition que la température reste constante et que le matériau reste dans la même forme et dans le même état.

Les conducteurs les plus connus sont métalliques. Le cuivre est le matériau le plus couramment utilisé pour le câblage électrique. L’argent est le meilleur conducteur, mais c’est cher. Parce que l’or ne se corrode pas, il est utilisé pour des contacts surface à surface de haute qualité. Cependant, il existe également de nombreux conducteurs non métalliques, y compris le graphite, les solutions de sels et tous les plasmas. Il existe même des polymères conducteurs.

Conductivité thermique et électrique vont souvent de pair. Par exemple, la mer d’électrons fait que la plupart des métaux agissent à la fois comme conducteurs électriques et thermiques. Cependant, certains matériaux non métalliques sont des conducteurs électriques pratiques sans être de bons conducteurs thermiques.