Compacité d'une structure cristalline

Application aux mailles cubique simple et cubique à face centrées

La compacité d’une structure cristalline représente le taux d’occupation de l’espace par les entités chimiques qui le constitue. Elle est égale au rapport du volume occupé par le volume total.

$$ c = \frac{V_{occupé}}{V_{total}} $$

Dans le modèle des sphères dures, elle peut être calculée en connaissant la maille conventionnelle du cristal. Le volume occupé correspond alors à celui des sphères contenues dans la maille et le volume total correspond au volume de la maille.

Compacité d’une structure cubique simple

Pour une maille de côté \( a \) on dénombre un seul atome contenu dans la maille, d’où :

$$ c = \frac{V_{atome}}{a^3} $$

Les atomes sont assimilés à des sphères dures de rayon \( R \) tangentes suivant les arrêtes du cube. Le paramètre de maille est alors relié au rayon des atomes par la relation :

$$ a = 2R $$

En exprimant le volume des atomes et celui de la maille en fonction du rayon on obtient :

$$ c = \frac{\frac{4}{3}\pi R^3}{(2R)^3} $$

Après simplification on obtient finalement :

$$ c = \frac{\pi}{6} \simeq 0,52 $$

La compacité d’un cristal de structure cubique simple est donc d’environ 52 %.

Compacité d’une structure cubique à faces centrées

Pour une maille de côté \( a \) on dénombre 4 atomes contenus dans la maille, d’où :

$$ c = \frac{4 \times V_{atome}}{a^3} $$

Les atomes sont assimilés à des sphères dures de rayon \( R \) tangentes suivant les diagonales de chaque face du cube. D’après le théorème de Pythagore, le paramètre de maille est alors relié au rayon des atomes par la relation :

$$ 4R = a \sqrt{2} \Leftrightarrow a = \frac{4R}{\sqrt{2}} $$

En exprimant le volume des atomes et celui de la maille en fonction du rayon on obtient :

$$ c = \frac{4 \times (\frac{4}{3} \pi R^3)}{(\frac{4R}{\sqrt{2}})^3} $$

Après simplification on obtient finalement :

$$ c = \frac{\pi \sqrt{2}}{6} \simeq 0,74 $$

La compacité d’un cristal de structure cubique simple est donc d’environ 74 %.

Voir également