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Leçon de chimie n°23 (agrégation 2011) :
Métaux et alliages : structures (CP).

Transcription des notes manuscrites de préparation à l'agrégation. Les schémas et le détail des calculs sont dans le document original : télécharger la leçon manuscrite (PDF, 2 pages).

Remarques du jury

Utiliser des modèles.

Prérequis

Structure cristalline, diffraction, classification périodique, transitions de phase, oxydoréduction.

Propriétés générales des métaux

Classification périodique

Solide cristallin

Optique : diffraction de Bragg ; structure cristalline par rayons X, ordre de grandeur a ≈ 10⁻¹⁰ m donc λ ≈ 0,1 nm.

Modèle de l'électron libre

Chaque atome donne des ions fixes et des électrons libres : liaison métallique (≈ 500 kJ/mol). Conducteurs de l'électricité et de la chaleur (chocs avec les phonons) ; tableau. Modèle des bandes : niveau de Fermi, métal et semi-conducteur.

Autres propriétés

Optique : éclat ; dureté : assez ductile, modifiée par les alliages ; états physiques différents, variétés allotropiques.

Principales structures des métaux

Voir la classification périodique.

Type CFC

Maille, compacité, sites octaédriques et tétraédriques ; exemples : Fe_γ, Ni…

Type HC

Type CC

Tableau. Transition Fe_γ → Fe_α : expérience du fil de fer chauffé (recalescence), transition allotropique.

Les alliages

Propriétés générales

Modification par un ou plusieurs éléments : modification des propriétés physiques (dureté) ou chimiques (corrosion).

Alliages de substitution

En général r_sub ≈ r_orig. Expérience : détermination du pourcentage de cuivre dans le laiton Cu_xZn_y : attaque par HNO₃, ajout de I⁻ (Cu²⁺ donne I₂ et CuI(s)), titrage de I₂ par S₂O₃²⁻ : m_Cu.

Alliages d'insertion

En général r_ins ≪ r_orig : acier, fonte (pourcentages de C différents). Insertion en site O ou T ; exemple sur le CFC : r_T = 0,22 r, r_O = 0,41 r. Application : Zr_xH_y, site T déformé, ZrH₂ dans les centrales.

Bibliographie

• Desrange-Levecque, Chimie PC-PC*
• TP tout prêts
• Tec&Doc, PC-PC*
• Tec&Doc, PCSI
• H-Prépa, Chimie des matériaux inorganiques
• Quaranta, Dictionnaire de physique expérimentale, tome 2