CRISTAUX MOLÉCULAIRES

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Description de la glace

Les molécules d’eau H2O s’agglomèrent suivant plusieurs structures, il y a plus d’une dizaine de variétés allotropiques parmi
lesquelles on a choisi de représenter les plus simples (dérivant du système cubique et du système hexagonal).
On note que l'eau peut exister également sous forme amorphe.

À la pression atmosphérique normale et jusqu'à une pression
d'environ 0,2 GPa (2 000 bars), les molécules d'eau de la glace
ordinaire forment une structure cristalline suivant un
réseau hexagonal, dont la stabilité est assurée par des liaisons hydrogène. La forme stable à 0°C sous la pression atmosphérique (jusqu'à une pression d'environ 2 000 bars) est une variété hexagonale que l’on peut décrire comme une maille qui dérive de deux structures hexagonales compactes décalées de 3/8ème de c, paramètre z de la maille.
Maille hexagonale :   a = 452 pm, c = 737 pm.
Cette structure présente une faible compacité, par voie de conséquence la densité de la glace ordinaire est inférieure à celle de l'eau (917 kg/m³ pour de la glace pure à 0 °C,
pression atmosphérique normale).

Sous des pressions supérieures à 3 kbar, une autre structure de la glace (glace III) est obtenue à température proche de 0°C), elle dérive de la structure du diamant.
Les atomes d'oxygène occupent la même place que les atomes de carbone dans le diamant. Chaque sphère rouge représente l’atome d’oxygène d’une molécule d’eau.
Les atomes d'oxygène occupent un réseau cubique F (a = 635).
Tous les atomes d’hydrogène (en blanc) ne sont pas représentés pour ne pas surcharger la maille.
Chaque atome d'hydrogène se place entre deux atomes d'oxygène à des distances particulières et
la distance O-H est de 98 ou 177 selon qu'il s'agit
d'une liaison σ (98 pm) ou
d'une liaison hydrogène (177 pm).


                

Remarque : En fonction des conditions de température et de pression, la glace peut adopter des structures cristallines,
généralement plus compactes que la glace ordinaire. Certaines de ces variétés de glace peuvent se rencontrer dans les conditions
extrêmes régnant à la surface d'autres planètes ou satellites du système solaire :

glace Ic (basse température, cubique à faces centrées, densité ≈ 0,9) ;
glace II (basse température, orthorhombique centrée, densité ≈ 1,2) ;
glace III (basse température, tétragonal, densité ≈ 1,1) ;
glace IV (basse température, densité ≈ 1,29) ;
glace V (haute pression, basse température, monoclinique à base centrée, densité ≈ 1,2) ;
glace VI (haute pression, basse température, tétragonale, densité ≈ 1,3) ;
glace VII (haute température, haute pression, cubique simple, densité ≈ 1,7) ;
glace VIII (haute pression, tétragonale centré, densité ≈ 1,6) ;
glace IX (haute pression, tétragonale, densité ≈ 1,2) ;
glace X (haute pression, cubique centré) ;
glace XI ;
glace XII (haute pression, basse température, tétragonale, densité ≈ 1,3) ;
glace XIII (obtenue à -143,15 °C et 0,5 GPa) ;
glace XIV (obtenue à -155,15 °C et 1,2 GPa).

La température du point de fusion de la glace ordinaire s'abaisse avec l'augmentation de la pression (c'est une anomalie :
habituellement, les températures de fusion croissent avec la pression) jusqu'à un minimum de -22 °C pour une pression d'environ
0,2 GPa (là commence le domaine de la glace III).

Pour le système cubique, on a représenté tous les hydrogènes
(même ceux hors de la maille) ce qui permet de mieux comprendre l'imbrication des molécule d'eau pour obtenir la symétrie de la maille.

L'alignement selon deux sommets opposés du cube permet de
visualiser l'axe de symétrie d'ordre trois présent dans la maille.
Les axes d'ordre quatre passent par les centres de deux faces
opposées.

Les axes d'ordre deux passent par le centre de deux arrêtes
opposées et l'on constate que la figure obtenue est symétrique par rapport au milieu de l'image ainsi obtenue.


En orientant convenablement la maille, on peut visualiser les cycles
à six atomes forme "bateau".

Toutes ces notions son à revoir si nécessaire dans les exercices.

Cette partie de cours est principalement constitué de connaissances aussi vous devez la lire attentivement et la mémoriser.

Chimie du solide                Cristaux moléculaires                 
Pr Robert Valls & Richard Frèze                                                                                                                                                     robert.valls@univ-amu.fr