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SYLLABUS CMI
(Chimie & Matériaux Inorganiques)
2015-2016
SEMESTRE
5
Objectifs Pédagogiques
A l’issue de ce cours, l’étudiant devra connaître les principales propriétés physico-chimiques des éléments en fonction de leur
position dans la classification périodique ainsi que celles propres au solide telles que l’électronégativité. Il devra également être
capable de décrire les différents types de liaisons chimiques et prévoir les évolutions de réactions et les propriétés physico-
chimiques des matériaux inorganiques. Finalement, il devra être capable de choisir une méthode de synthèse adaptée au matériau
que l’on souhaite obtenir et savoir déterminer les caractéristiques des matériaux obtenus.
Evaluation
S1 : ET (1h, E, sd, ca)
Contenu
I- Rappels sur la classification périodique des éléments
a. Description générale des blocs
b. Propriétés physiques et chimiques des éléments
II- La liaison chimique
a. La liaison covalente
i. Rappel de chimie quantique et notion d’orbitale moléculaire
ii. La méthode LCAO
b. La liaison ionique
i. Calcul de l’énergie réticulaire
ii. La constante de Madelung
iii. L’énergie répulsive
iv. Cycle de Born-Haber
III- Les méthodes de synthèse de la chimie inorganique
a. Introduction (les différents types de matériaux, ressources et réserves, utilisation des matériaux, recyclage…)
b. Méthodes chimiques
i. Méthodes conventionnelles (réaction à l’état solide)
ii. Voie liquide : sol-gel, précipitation, synthèse hydrothermale
iii. Voie sels fondus : verres
iv. Procédés de synthèse par voie gazeuse (CVD)
c. Méthode mécanique (la mécanosynthèse)
IV- Les caractéristiques physico-chimiques d’une poudre
a. Définitions
b. Les caractéristiques des poudres (morphologiques, porosité, surface spécifique,…)
1.2.1 Caractéristiques morphologiques et dimensionnelles
1.2.2 Structure poreuse des poudres
1.2.3 Méthodes de mesure
1.2.4 Analyse chimique
1.2.5 Les propriétés technologiques des poudres
Intervenants
Brigitte Pecquenard : 11 créneaux d’1h20 (dont 8 de cours et 3 de TD)
Amélie Veillère : 4 créneaux 1h20 (dont 3 de cours et 1 de TD)
Pré-requis
Bases de chimie quantique, de chimie du solide et d’atomistique
Références Conseillées
- Chimie inorganique - Huhey, Keiter & Keiter (Ed. De Boeck université)
- Chimie générale – Mc Quarrie & Rock (Ed. De Boeck université)
- Chimie inorganique - A. Casalot et A. Durupthy (Ed. Hachette Supérieur)
- Principe de chimie – Gray & Haight (Ed. Ediscience)
- Cours de chimie physique – Paul Arnaud (Ed. Dunod)
- Chimie générale M.Garric (Ed. Dunod)
- Métallurgie des poudres, D. Bouvard, Editions Lavoisier, 2002
- Introduction to powder metallurgy, F. Thümmler and R. Oberacker, Editions I. Jenkins and J.V. Wood, 1993
Département : Chimie-Physique
Thématique : Chimie et Matériaux Inorganiques
Année : 1 Semestre 5 Unité d’enseignement : Chimie Inorganique et Solides Crédits UE : 8 ECTS
Code : PC5CHIGE Composante : Chimie Inorganique Générale Nb d’heures : 20 h Coef : 25.6
Nature : Cours intégré Noms des intervenants : B. Pecquenard / A.
Veillère Courriel : [email protected]
Objectifs
Etre capable d’expliquer certaines propriétés physiques des solides
Etre capable de décrire quelques applications actuelles et potentielles.
Evaluation
S1 : ET(1h)
Contenu
Introduction
Contexte industriel
Relation structure – propriétés physiques (électriques, thermiques, élastiques, optiques, magnétiques)
Propriétés de transport électrique
Les métaux, les semi-conducteurs et les isolants
Conclusion
Pré-requis
Cours de structure des solides
Cours de mécanique quantique
Références Conseillées
Physique de l’état solide, C. Kittel, Ed. Dunod, Paris (1983, 1998)
Physique des solides, N. W. Ashcroft et N. D. Mermin, Ed. EDP Sciences (2002)
Département : Chimie-Physique
Thématique : Chimie et Matériaux Inorganiques
Année : 1 Semestre : 5 Unité d’enseignement : Chimie Inorganique et Solides Crédits UE : 8 ECTS
Code : PC5PPSOL Composante : Propriétés des Solides Nb d’heures : 17h20 Coef : 22.2
Nature : Cours intégré Nom de l’intervenant : Lydie Bourgeois Courriel : [email protected]
Objectifs
Un des objectifs généraux de la thématique CMI est de montrer comment les propriétés d’un matériau dépendent de sa
composition ou de sa structure. Le cours de Structure des Solides constitue une base indispensable de ce programme, en
répondant à deux questions essentielles sur la structure des matériaux cristallisés : comment la décrire, comment la déterminer.
Les objectifs pédagogiques de ce cours, en lien étroit avec les Travaux Pratiques de Chimie Inorganique, sont les suivants :
Décrire une structure cristalline et reconstruire une structure d'après sa description ;
Reconnaître et identifier les structures simples et celles plus complexes qui en dérivent ;
Analyser un texte scientifique traitant de l’utilisation de la diffraction des rayons X en science des matériaux ;
Utiliser les bases de données cristallographiques (tables internationales de cristallographie, ressources sur la structure
des cristaux).
Evaluation :
S1 : ET (1h, E)
Contenu
La première partie du cours est consacrée à la description des cristaux en termes de symétrie. Après une introduction historique
sur la cristallographie, les notions de réseau, maille, mode et motif sont définies à partir du groupe de translations. Les différentes
opérations de symétrie sont détaillées, les principes de construction des groupes ponctuels sont développés, en relation avec les
systèmes cristallins et les réseaux de Bavais. Les groupes d’espace sont finalement décrits. Des structures cristallographiques
simples sont utilisées comme exemples et permettent une introduction à la cristallochimie. Trois descriptions sont traitées : (i)
unité asymétrique et groupe d’espace, (ii) empilements et sites occupés, (iii) polyèdres de coordination. Le réseau réciproque est
introduit et appliqué à des calculs cristallographiques simples. Le cristal est modélisé en termes de convolution d’une densité
électronique et d’une somme de distributions de Dirac.
La diffraction des rayons X fait l’objet de la seconde partie du cours. Après des rappels sur la diffraction, les équations de Laue
sont obtenues à partir du calcul de l’intensité diffractée par un cristal, interprété dans le réseau réciproque ; l’équation de Bragg
en est déduite. Des facteurs de structures sont calculés pour expliquer les extinctions systématiques. La figure de diffraction est
interprétée en termes de transformée de Fourrier de la densité électronique du cristal. Finalement, on montre comment l’intensité
diffractée permet de déterminer les positions atomiques. L’utilisation pratique de la diffraction des rayons X comme outil
d’analyse est ensuite abordée, après une présentation de la production des rayons X et des diffractomètres de poudres.
Intervenant
Phlippe Vinatier, 15 créneaux de 1h20 de cours et applications, 1 créneau de 1h20 de TD en demi-promotion
Pré-requis
Les éléments du programme de cristallographie des classes préparatoires filière PC : les notions de maille et de motif, les
empilements compacts, les types structuraux simples. Les notions de base sur la diffraction.
Références Conseillées
Bibliographie, disponible à la bibliothèque de l’ENSCBP :
Chimie inorganique, A. Casalot et J. Durupthy, Hachette : niveau Licence.
Introduction à la cristallographie et à la chimie structurale, M. van Meerssche et J. Feneau-Dupont, Peeters, 1984 : plus
complet.
Fundamentals of crystallography, C. Giacovazzo et al., Oxford University Press, 1992 : très complet, assez complexe.
Pour voir des cristaux : www.musee.ensmp.fr/gm//photos.html (page consultée le 04/07/2011)
Département : Chimie-Physique
Thématique : Chimie et Matériaux Inorganiques
Année : 1 Semestre : 5 Unité d’enseignement : Chimie Inorganique et
Solides Crédits UE : 8 ECTS
Code : PC5STSOL Composante : Structure des Solides / Solid State
Structure Nb d’heures : 21h20 Coef : 27.2
Nature : Cours intégré Nom de l’intervenant : Philippe Vinatier Courriel : [email protected]
Objectifs
Les Travaux Pratiques de Chimie Inorganique et Solides proposent une initiation à la description cristallographique et à
différentes méthodes de synthèse et de caractérisation des solides inorganiques. Ils se déroulent sur six séances tournantes de
quatre heures, par groupes de quart de promotions ; les étudiants, encadrés par deux enseignants et un personnel technique, sont
répartis en trinômes. Un compte-rendu individuel ou par trinôme est demandé à la fin de chaque séance. Les objectifs
pédagogiques ces Travaux Pratiques de Chimie Inorganique sont les suivants :
Décrire et identifier des structures cristallines simples, en termes de groupe d’espace et d’unité asymétrique, en termes
d’empilement et de sites occupés, et en termes de polyèdres de coordination ;
Utiliser les bases de données cristallographiques (tables internationales de cristallographie, ressources sur la structure
des cristaux) :
Appliquer la diffraction des rayons X pour déterminer la structure d’un cristal ;
Choisir et appliquer des méthodes de caractérisation des matériaux, interpréter et discuter les résultats obtenus.
Evaluation : S1 : 6 CR x 1/6
S2 : Rep(S1)
Contenu
Les six manipulations proposées sont :
Empilement ABC et structures dérivées ;
Empilement AB et structures dérivées ;
Détermination structurale de l’oxyde de nickel NiO par diffraction des rayons X ;
Deux méthodes d’analyses thermiques : Analyse Thermogravimétrique (ATG) et Analyse Thermique Différentielle
(ATD) ;
Dosage par absorption atomique du cuivre dans des alliages d’aluminium ;
Le semi-conducteur ZnO : synthèse par pyrolyse de spray et structure électronique.
Pré-requis
Les cours de l’UE Chimie Inorganique et Solides de première année : Chimie inorganique, Structure des solides, Propriétés
des solides.
Références Conseillées
Les cours de l’UE Chimie Inorganique et Solides de première année.
Chimie inorganique, A. Casalot et J. Durupthy, Hachette : niveau début 2nd cycle.
Introduction à la cristallographie et à la chimie structurale, M. Van Meerssche et J. Feneau-Dupont, Peeters, 1984 : plus
complet.
Département : Chimie-Physique
Thématique : Chimie et Matériaux Inorganiques
Année : 1 Semestre 5 Unité d’enseignement : Chimie Inorganique et Solides Crédits UE : 8 ECTS
Code : PC5TPCHI Composante : TP Chimie Inorganique Nb d’heures : 24 h Coef. : 25
Nature : TP
Nom des intervenants: L. Bourgeois, L. Guerlou-
Demourgues, M. Majimel, B. Pecquenard, A. Veillère,
P. Vinatier
Courriel : [email protected]
SEMESTRE
6
Objectifs
A l’issue de cours, l’étudiant devra être capable de :
Enoncer les principales propriétés physico-chimiques des éléments de transition et présenter la théorie du champ cristallin
Sur la base de raisonnements de chimiste du solide, prédire la stabilité d’un ion dans un site donné ou d’une structure (en
effectuant des calculs d’énergie de stabilisation par le champ cristallin par exemple, ou en considérant des évolutions de
rayons ioniques)
Enoncer les processus physico chimiques permettant d’expliquer la couleur des composés d’éléments de transition. Savoir
utiliser les diagrammes de Tanabe Sugano.
Citer des techniques de caractérisation à mettre en œuvre pour déterminer la structure et la formule chimique d’un
matériau, et établir une formule chimique réaliste et cohérente en utilisant les résultats obtenus. En particulier, déterminer
les degrés d’oxydation et les configurations électroniques des ions sur la base de mesures magnétiques.
Faire des liens entre la structure / la formule chimique (degrés d’oxydation des ions, configurations, stoechiométrie) et
certaines propriétés (conduction électrique, couleur) des matériaux.
Décrire la structure et les propriétés applicatives de matériaux à forte valeur ajoutée (zéolithes par exemple)
Evaluation :
S1 : ET (1h)
Contenu
1. Les éléments de transition.
Généralités (éléments de transition d,f)
Propriétés physico-chimiques des éléments de transition
La théorie du champ cristallin
Les applications du champ cristallin (stabilité des structures, états de spin, effet Jahn-Teller, évolution des
rayons ioniques)
2. La couleur des composés d’éléments de transition.
Une première approche de la couleur
Termes spectroscopiques
Couleur et transferts de charge
Les spectres électroniques et la couleur
Diagrammes de Tanabe Sugano
3. Les propriétés magnétiques des matériaux
Susceptibilité magnétique
Paramagnétisme de l’ion libre
Ordres magnétiques
Magnétisme des composés, exemples (pérovskites, spinelles…)
Exemples et applications :
chrome et couleur, titane et propriétés anti-UV, fer et magnétisme, cobalt et stockage de l’énergie…
Matériaux poreux : Zéolithes et structures apparentées, matériaux lamellaires (catalyse, tamisage ou piégeage
moléculaire, structures d’insertion pour électrodes …etc)
Pré requis
L’ensemble des enseignements de l’UE Chimie Inorganique et Solides (1A)
Cours de Chimie Quantique, théorie des groupes (1A)
Références Conseillées
Chimie Inorganique, Huheey, Keiter et Keiter, De Boeck Université
Colour and the optical properties of materials, R. Tilley, WILEY.
Introduction à la chimie du solide, L. Smart, E. Moore, MASSON.
Département : Chimie-Physique
Thématique : Chimie et Matériaux Inorganiques
Année : 1 Semestre 6 Unité d’enseignement : Chimie Physique et
Matériaux Crédits UE : 7 ECTS
Code : PC6CSMAT Composante : Chimie du Solide et Matériaux Nb d’heures : 25 h 20 Coef. : 23
Nature : Cours intégré Nom des intervenants : L. Guerlou-Demourgues Courriel : [email protected]
SEMESTRE
8
Objectifs
- Etablir les relations entre la structure électronique des composés de coordination (ou complexes) et leurs propriétés optiques
et magnétiques.
- Discuter de l’origine de la stabilité d’un complexe.
- Prévoir la réactivité d’un complexe.
- Proposer des stratégies de synthèse pour obtenir un composé avec la propriété désirée (magnétique en particulier).
- Interpréter et prédire les propriétés magnétiques de matériaux simples.
Evaluation :
S1 : ET (1h)
Contenu
Introduction : quelques applications contemporaines des complexes
1. Structure et propriétés électroniques des composés de coordination mononucléaires.
1.1. Rappels sur la théorie du champ cristallin. Propriétés optiques de composés de coordination.
1.2. Le modèle des orbitales moléculaires. Série spectrochimique.
1.3. Propriétés magnétiques de composés de coordination mononucléaires. Loi de Curie.
1.4. Application : le phénomène de conversion de spin. Bistabilité moléculaire.
2. Stabilité et Réactivité des composés de coordination
2.1. Les ligands et les géométries les plus courantes des composés de coordination.
2.2. Stabilité des complexes : aspect thermodynamique et cinétique.
2.3. Mécanismes de réactions des complexes (substitution et transfert d’électrons). Exemples.
3. Synthèse et Magnétisme des composés de coordination polynucléaires
3.1. Stratégies de synthèse.
3.2. Propriétés magnétiques des composés polynucléaires.
3.3. Vers des matériaux moléculaires magnétiques et photomagnétiques. L’exemple des composés de la famille des Bleus
de Prusse.
Pré-requis
Structure électronique des éléments de transition et spectroscopies
Liaison chimique : de la formule de Lewis au diagramme d’orbitales moléculaires de molécules simples
Cours de Brigitte Pecquenard et Lydie Bourgeois (1A) Liliane Guerlou-Demourgues (2A)
Références Conseillées
HUHEEY, KEITER & KEITER Chimie inorganique 1996 Ed. De Boeck
KETTLE S. J. Physico-chimie inorganique 1999 Ed. De Boeck
DRAGO R. S. Physical Methods for Chemists 1992 Ed. Saunders College
KAHN O. Structure électronique des éléments de transition 1977 Ed. PUF
Département : Chimie-Physique
Thématique : Chimie et Matériaux Inorganiques
Année : 2 Semestre 8 Unité d’enseignement : Parcours Inorganique Crédits UE : 8 ECTS
Code PC8MIMOL Composante : Matériaux inorganiques moléculaires Nb d’heures : 16h Coef. : 17,6
Nature : Cours intégré Nom de l’intervenant : Corine MATHONIERE Courriel :
Evaluation :
S1 : Proj (Rap)
S2 : Rep (S1)
Partie 1 : Comportement mécanique – G. Vignoles (18 h 40)
Objectifs
Ce cours présente les éléments fondamentaux du comportement mécanique des matériaux inorganiques de structure, permet de
s'initier au vocabulaire du comportement mécanique, présente les types de test employés et met en relation les propriétés des
matériaux avec les différents éléments de leur structure. Les matériaux concernés sont principalement les métaux, céramiques,
verres et composites.
A la fin des 20 h de cours, les étudiants de 2° année auront acquis le vocabulaire approprié et seront capables :
- de citer et d’interpréter les divers types de tests mécaniques,
- d’expliquer la physique qui est derrière chaque propriété,
- d’expliquer à quel(s) types d'élément texturaux ou structuraux on peut rattacher telle ou telle propriété
(par exemple comment des inclusions peuvent améliorer une ténacité).
Contenu
1. Introduction (1 Cours)
a. Généralités : grandes classes de matériaux
b. Rappels de mécanique :
i. Les diverses propriétés mécaniques
ii. Dépouillement d’un test de traction
2. De la cohésion interatomique aux propriétés mécaniques et thermomécaniques (1 Cours)
3. Le fluage (1 cours)
a. Définitions, mesures
b. Mécanismes
c. La transition fragile/ductile
4. Fissuration, rupture, fragilité, ténacité (2 Cours)
a. Eléments de mécanique de la rupture : tests, grandeurs mesurées
b. Théorie classique de la rupture : le critère de Griffiths
c. Aspects statistiques de la rupture
d. Les mécanismes d’augmentation de la ténacité
5. La fatigue (1 Cours)
a. Tests et phénoménologie : courbes de Wöhler, loi de Miner, mécanismes élémentaires
b. Fissuration sous-critique : loi de Paris-Erdogan, mécanismes élémentaires
6. Les matériaux composites (2 Cours)
a. Introduction
b. Lois de mélange
c. Mécanismes d’augmentation de la ténacité
d. Notions d’optimisation des propriétés par rapport à une application
Travaux Dirigés : Etudes de cas (verres/céramiques, métaux, films minces, fibres, composites, …) (7 TD)
Département : Chimie-Physique
Thématique : Chimie et Matériaux Inorganiques
Année : 2 Semestre : 8 Unité d’enseignement : Parcours Inorganique Crédits UE : 8 ECTS
Code : PC8SIMIM Composante : Science et Ingénierie des Matériaux
Inorganiques Nb d’heures : 37h20 Coef. : 41,2
Nature : Cours intégré Nom de l’intervenant : Stéphane GORSSE &
Gérard VIGNOLES
Courriel :
Partie 2 : Microstructures et propriétés – S. Gorsse (18 h 40)
Objectifs
Ce cours développe les aspects fondamentaux de la métallurgie physique : les mécanismes de la plasticité, les transformations
de phase et la précipitation, la diffusion chimique et la thermodynamique métallurgique. Il établit le lien entre les propriétés
mécaniques, les paramètres microstructuraux et les procédés, et il donne les outils théoriques nécessaires pour développer les
stratégies permettant de modifier les propriétés des alliages métalliques via la manipulation de leur microstructure.
A la fin des 20 h de cours, les étudiants de 2° année seront capables :
de prévoir un chemin et une microstructure de solidification pour des systèmes binaires et ternaires,
d’expliquer de façon précise certains mécanismes de genèse des microstructures (précipitation et transformation
eutectoïde),
de décrire le lien entre la microstructure et les propriétés mécaniques des alliages métalliques.
Contenu
Introduction : exploration de l’univers des matériaux
1. Chemins et microstructures de solidification dans les binaires et les ternaires
2. Genèse des microstructures à partir d’une phase solide
Genèse des microstructures
Transformations de phase et précipitation
Diagrammes TTT
Diagrammes d’énergie de Gibbs
Notion de force motrice
Diffusion chimique et lois de Fick
Théorie classique de la germination-croissance
La coalescence
Microstructure et propriétés
La déformation plastique aux échelles micro et macro
Notion de dislocation
Contrainte et énergie
Mobilité
Interaction
Multiplication
Intervenants :
Vignoles Gérard L., 14 créneaux d’1h20 dont 8 Cours et 6 TD (en promo entière)
Gorsse Stéphane, 14 créneaux d’1h20 dont 12 Cours et 2 TD (en promo entière)
Pré-requis
Cours de mécanique des milieux continus : PC6MEMCO
Cour de thermodynamique du solide : PC6THSOL
Références Conseillées
Métallurgie, du minerai au matériau (J. Philibert, A. Vignes, Y. Bréchet, P. Combrade) 1998.
M.F. Ashby & D. R. H. Jones : « Sciences des Matériaux »
J.-P. Bailon, J. Masounave, J.-M. Dorlot : « Des Matériaux » (2e ed.)
W. D. Kingery, H. K. Bowen, D. R. Uhlmann, « Introduction to Ceramics »
D. Gay : « Matériaux Composites »