Bonjour à tous, comment sait-on qu'un métal est bon conducteur de courant ou pas ? on se base sur l'électronégativité ?

On se base sur la maille cristalline cher ami

Par exemple le fer s'inscrit dans un cube répété dans tout le metal :

Un Fer à chaque sommet, et au centre

(Désolé de la qualité de schéma minable, n'étant pas chez moi j'ai pas tout mes outils )

Alors que le Cuivre lui :

Un Cuivre à chaque sommet, à chaque centre de carré, et au centre du cube.

Donc plus d'électrons par maille, donc plus de conductivité Thermique/Électrique

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Edité par Blackline 12 mai 2013 à 11:57:11

Moi, j'ai une autre explication

Mais pour ça, il faut employer des connaissances que tu ne possède peut-être pas (weasley14, blackline, je sais que tu les connais sans le savoir). M'enfin, je vais quand même essayer de t'expliquer comme je peux.

J'imagine que tu connais le modèle de l'atome de Borh et de ces couches : K, L, M, N et ainsi de suite. Eh bien ce modèle est partiellement faux, pour différentes raisons qui prendraient un certain temps à expliquer. M'enfin il y a quand même un truc qui se tient, c'est que les électrons sont disposés en "couches", donc avec des énergies différentes : plus un électron est proche (dans l'espace) du noyau, moins sont énergie est élevée ! On peut donc représenter la situation en couches :

 → → 

Bon. Comme tu peut le voir sur le second dessin, ça laisse des niveaux occupés (K,L,M,N) et un niveau libre (le O ... Et la suite, bien entendu). J'ai pris le cas de l'atome de cuivre parce que généralement, les fils sont en cuivre, mais de toute façon, peu importe l'atome, t'as un certain nombre de niveau occupés, et les suivants libre. Lorsque tu imagines maintenant plusieurs atomes de cuivre ensemble, ces niveaux s'additionnent. De plus, ils n'ont pas exactement la même énergie : par exemple, le niveau N d'un atome de \(Cu^+\) n'est pas le même que celui d'un \(Cu^{2+}\) et pas le même que celui du cuivre à l'étage d'oxydation 0. Au final, on se retrouve donc avec grosso modo une situation en bandes (c'est la troisième image). D'une part, tu as la bande de valence, qui contient tout les électrons du métal. D'autre part, tu as la bande de conduction, qui est vide d'électron (le niveau O pour le cuivre, par exemple).

Ou je veux en venir ? Il existe une différence d'énergie entre bande de valence et de conduction. Afin qu'un électron soit transporté, il faut qu'il se trouve dans cette bande de conduction (d'ou son nom). Pour cela  il a besoin d'énergie (ce serai l'énergie de transition équivalente à celle de la réaction \(Cu \rightarrow Cu^+ + e^-\), donc une énergie d'ionisation). En général, cette énergie est donnée par la température ... Jusqu'à un certain point. Et voilà ce qui fait qu'un conducteur est bon ou pas : on regarde son énergie d'ionisation : plus elle est faible, mieux c'est ... C'est ce qui permet de faire la différence entre conducteur, semi-conducteur (enfin, à peu près) et isolant :

Chlore	1251.2 kJ·mol−1
Soufre	999.6 kJ·mol−1
Fer	762.5 kJ·mol−1
Cuivre	745.5 kJ·mol−1

Je ne connais plus la valeur qui fait la différence entre conducteur et isolant, mais au vu de ces valeurs, tu peux facilement deviner qui est plus conducteur que qui

EDIT pour blackline : http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity#Causes_of_conductivity

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Edité par Anonyme 12 mai 2013 à 12:41:20

Tu es sur qu'on peut se baser sur l'énergie de première ionisation ?

Si oui, comment tu explique que le platine est conducteur et le silicium semi conducteur ? Ou encore : pourquoi le graphène est semi-conducteur alors que le graphite est conducteur ?

Et pourquoi on trouve pas un moyen de faire de l'électronique avec des composants en césium ? C'est l'élément qu'on ionise le plus facilement ?

Jolie, effectivement je n'avais pas fais le rapprochement avec toutes ces informations-ci !

Merci Mon explication rentre en compte me semble-t-il aussi non ?

Akio : Les oxydations peut-être pour le césium c'est dur à éviter ? mais je suis sur que la réponse et plus complexe... Certes

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Edité par Blackline 12 mai 2013 à 14:58:42

@Akio : je sais. J'ai longuement hésité à poster ce post, parce que je sais que ce que je raconte est en partie faux. La vérité, je la connais (ou en tout cas je devrais la connaitre, donc je la connaitrait pour dans un mois), elle est purement quantique. Si on laisse de coté les semi-conducteur, ce que j'ai dit est correct, on peut se baser sur l'énergie de première ionisation ... Dans les grandes lignes, et ainsi faire la différence entre isolant et conducteur. Le reste ... Je peux l'expliquer, mais ça dépasse de loin le niveau du bac scientifique. 

Si ça intéresse quelqu'un, alors oui. Sinon, on va pas s'embêter à faire de la quantique pour au final que les gens ne pigent rien

Par contre, l'histoire de bande de valence et de conduction, oui, c'est du béton. C'est la différence d'énergie entre les deux qui fait le tri entre conducteur, semi-conducteur et isolant. L'approximer à l'énergie de première ionisation est un peu gros, je te l'accorde.

@Blackline : là ou ça m'embête, c'est que t'as forcément raison. Je le sais, j'ai tenté de trouver des contres exemples et j'en ai pas trouvé. Donc tu doit avoir raison ... Mais j'arrive pas à trouver une trace "officielle" de cette théorie, qui à première vue tient parfaitement la route. Alors je sais pas.

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Edité par Anonyme 12 mai 2013 à 19:20:09

Pour tout te dire, et ça m'atriste, ça vient du C'est pas sorcier sur "le Cuivre" sa purification, et sa conductibilité lol

C'est pas la reference qui fait le plus "scientifique Delamort quandtik rpz Licence" Mais c'est la meilleur vulgarisation que j'ai jamais vue en france à la télé

Quantique : Moi je veux bien les explications des phénomènes quantiques qui rentre en compte, pas les formules sans trop de sens pour la plupart des gens, ça les gaverais surement.

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Edité par Blackline 12 mai 2013 à 21:15:32

Trèèèès bien, faisont un peu de quantique, alors ... Mais pas de tout de suite. On va tout d'abord laisser tomber tout le fatras que j'ai raconté au dessus ... Il est pas forcément juste, mais pas tout à fait faux, vous verrez.

Bon. Je n'apprend à personne qu'une molécule n'est pas fixe dans l'espace : elle bouge, elle vibre, elle tourne et éventuellement, elle change d'état électronique (stable→excité, par ex). Ce qui fait qu'une molécule isolée possède une certaine énergie interne, plus ou moins élevée en fonction de comment elle vibre, elle tourne, et ainsi de suite. Si vous ne me croyez pas, pensez au micro-onde : les ondes envoyées font tourner les molécules d'eau et chauffent par conséquent les aliments : il faut fournir de l'énergie à la molécule pour qu'elle tourne.

L'état le plus probable d'une molécule, c'est le niveau d'énergie le plus bas, physique de base : une balle en suspension va se débarasser de son énergie potentielle et tomber. Pareil pour les atomes, ils tentent de posséder une énergie minimale : c'est la force qui régit les réactions, c'est la cause de l'exo/endothermicité et tout le bataclan. À une température de 0 kelvin, plus de rotation, plus de translation, plus d'état excité, rien ... Ou presque : la vibration reste. À zéro kelvin, on a donc toute les molécules dans leur état d'énergie le plus stable, qu'on appelle aussi énergie de point zéro. On dit alors que statistiquement, on à 100% de particule sur le niveau 0.

Lorsqu'on augmente la température, on apporte de l'énergie au système, les molécules vont se mettre à tourner, bouger et ainsi de suite. Certaines bougeront plus que d'autre, parce qu'a la suite de collisions, elles ont reçu de l'énergie cinétique, ou autre. Il y aura donc statistiquement un certain nombre de particules dans l'état 0, mais inférieur à 100%, mais aussi des molécules possédant des énergies supérieures. On a donc une distribution de particule sur différents niveau d'énergies, plus ou moins confondu. Les plus attentifs auront fait l'analogie avec les niveau électroniques dans une molécule, et vous n'avez pas tout à fait tord sur le fond ... Bien qu'il ne s'agisse pas ici d'électron, attention !

Bon ... Jusqu'ici, je parle de particules alors que la conductivité, c'est un phénomène de mouvement d'électrons, nan ? Bien vu Eh bien dans un solide, c'est pareil : un électron possède également une certaine énergie cinétique, quasiment nulle à zéro kelvin, et peut donc être lui aussi rangé sur des niveaux d'énergie. Les expressions quantiques sont presque pareilles pour des particules ou des électrons ! La situation à zéro kelvin est par ailleurs intéréssante, parce que les électrons ne se trouve jamais dans un état d'énergie supérieur à une certaine valeur, c'est la théorie des bandes : 

- bande de valence : totalement remplie à zéro kelvin, tout les électrons sont en dessous d'une certaine valeur d'énergie
- bande de conduction : bande située juste au dessus (donc totalement vide à zéro kelvin)

Il est également important de préciser qu'un électron situé dans la bande dite de valence participe à la cohésion du solide et est donc indisponible pour la conductivité : seul les électrons situés dans la bande de conductions sont libres (parce que plus énergétiques), et peuvent donc participer à la conduction ... Mais pas seulement d'électicité, également de chaleur, ... Conséquence de ça ? Un très grand nombre de composés ne sont absolument pas conducteur à 0 kelvin ! (oui, je sais, sauf les supraconducteur, mais c'est autre chose et ça sort du cadre de cette théorie). Et vous me voyez arriver : lorsqu'on augmente la températures, certains électrons possèdent alors des énergies plus élevées, donc montent dans la bande de conduction, et y participent : la conductivité électrique augmente avec la température (vérifiez, c'est vrai ^^)

Allez, courage, j'y suis presque Il me reste à vous dire que bande de valence et de conduction ne sont pas forcément collées : il existe parfois (souvent, en fait) un espace entre les deux, nommé bande interdite, c'est à dire une gamme d'énergie que ne prendra jamais aucun électron. La raison est un peu compliquée à expliquer, mais tient de la quantification de l'énergie, peut importe. C'est en fait la taille de cette bande interdite, qu'on nomme aussi gap, qui servira de discriminant :

- Conducteur : le gap est nul, et les deux bandes partages forcément des électrons, car elles sont confondues.
- Isolant : le gap est important (10eV ou plus) et la bande de conduction est vide à zéro kelvins.
- Semi conducteur : le gap possède une valeur intermédiaire (de 1à 5eV),  et la bande de conduction est également vide à zéro kelvin ... Mais l'augmentation de température pousse des électrons dans celle-ci : la conductivité augmente avec la température ... Propriété des semi-conducteurs.

La valeur du gap s'obtient par calcul quantique, et est ... En gros ... liée au potentiel chimique des électrons. Peu importe, d'où mon idée de faire un lien avec l'énergie de première ionisation. Voilà voilà ... J'espère que je vous ai pas trop perdu ...

Et si je parle d'un cas embêtant

Le graphène, semi-conducteur de gap nul xD

Pour revenir à la théorie de Blackline, cette structure de bande dépends entre autre de l'arrangement cristallin, et ça explique aussi le cas du graphène justement

Euuuh ... Très bonne question. Pour moi, cette propriété lui vennait "tout simplement" de ces électrons pi, maintenant je peux me tromper. Par contre, ça m'intéresse de savoir comment tu connais le gap sans pour autant te taper le calcul du niveau de Fermi ... T'as des tables ou quelque chose ?

https://nanohub.org/tools/cntbands-ext/

Un outil de simulation pour les nanotubes de carbone et le graphène qui permet de simuler les structures de bandes électroniques en fonction de la géométrie de l’arrangement.

Je t'avouerai que je n'ai absolument aucune idée des calculs qui tournent derrière lol. Je laisse ça aux mathématiciens et aux physiciens.

Mais pour revenir au cas du graphène et d'autres cristaux, pour réconcilier ce que tu dis et ce que Blackline avait dit, j'ai un petit complément sur la théorie des bandes : Si on prends un atome isolé, les électrons sont organisés selon plusieurs palier, que l'on appelle des niveaux. Je veux dire par là qu'on ne peut pas parler de bande pour un atome tout seul ! Si on lui colle d'autres atomes à côté, la multiplication des niveaux va former ces bandes Mais une fois les bandes pleines, ça devient difficile de bouger les électrons, le matériau est alors isolant. ça illustre bien ce que dis Blackline, plus il y a d'atome dans la maille, plus il y a d’électrons qui peuvent se déplacer, jusqu'à un certain point.

Petit exemple pour illustrer ça : le carbone (oui oui, je l'aime bien celui là :p). Dans le graphite, il y à 4 atomes par maille, il est conducteur, dans le diamant en revanche, il y a 8 atomes par maille, c'est toujours du carbone pur, mais pourtant, il est isolant. Bon, le graphène, c'est vraiment le cas particulier, 2 atomes par maille, et sois c'est un mauvais métal (dans son comportement) sois un semi conducteur de gap nul (pierre, enfaite, le niveau de Ferni est pile au point de Dirac)

Akio a écrit:

jusqu'à un certain point.

Serais-ce une erreur de faire un parallèle avec l'activité chimique ? ou c'est ça ?

@Akio : ah, oki. Évidement, si tu donne des cas particulier, c'est moins facile mais oki, je (crois que) je vois.

@Blackline : ben comme le dit akio, le diamant est isolant alors qu'il s'agit d'une maille cubique.