Introduction
Les règles de Hume-Rothery sont un ensemble de critères permettant de prédire la formation d’alliages métalliques et de composés intermétalliques‚ fondées sur les propriétés atomiques et électroniques.
Définition des règles de Hume-Rothery
Les règles de Hume-Rothery sont un ensemble de critères établis par William Hume-Rothery en 1926‚ qui permettent de prédire la formation d’alliages métalliques et de composés intermétalliques.
Ces règles sont fondées sur l’étude des propriétés atomiques et électroniques des éléments‚ telles que les rayons atomiques‚ l’électronegativité et la valence électronique.
Elles visent à expliquer les phénomènes de formation de phases dans les diagrammes de phase‚ en particulier la formation de solutions solides et de composés intermétalliques.
Les règles de Hume-Rothery sont essentielles en métallurgie et en ingénierie des matériaux‚ car elles permettent de concevoir et de développer de nouveaux alliages et matériaux avec des propriétés spécifiques.
I. Critères de formation des alliages métalliques
La formation des alliages métalliques dépend de plusieurs critères‚ notamment les rayons atomiques‚ l’électronegativité‚ la valence électronique et la structure cristalline.
Atomic radii et taille des atomes
Les rayons atomiques jouent un rôle crucial dans la formation des alliages métalliques. En effet‚ lorsque deux métaux ont des rayons atomiques similaires‚ ils peuvent former une solution solide où les atomes du métal ajouté se substituent aux atomes du métal de base. Cela est possible car les atomes ont des tailles compatibles‚ ce qui permet une substitution ordonnée dans le réseau cristallin.
Les règles de Hume-Rothery stipulent que pour former une solution solide‚ les rayons atomiques des deux métaux doivent différer de moins de 15%. Cette condition est nécessaire mais non suffisante‚ car d’autres facteurs tels que l’électronegativité et la valence électronique doivent également être pris en compte;
Électronegativité et valence électronique
L’électronegativité et la valence électronique sont deux propriétés électroniques essentielles pour comprendre la formation des alliages métalliques. L’électronegativité mesure la tendance d’un atome à attirer les électrons vers lui-même‚ tandis que la valence électronique représente le nombre d’électrons de valence disponibles pour former des liaisons chimiques.
Les règles de Hume-Rothery stipulent que pour former une solution solide‚ les métaux doivent avoir une différence d’électronegativité faible‚ généralement inférieure à 0‚4. De plus‚ les métaux doivent avoir des valences électroniques compatibles‚ ce qui signifie qu’ils doivent avoir le même nombre d’électrons de valence ou des nombres voisins.
II. Règles de Hume-Rothery pour les solutions solides
Ces règles définissent les critères de formation des solutions solides‚ où les atomes des différents éléments se substituent les uns aux autres dans le réseau cristallin.
Règle de la taille atomique
La règle de la taille atomique stipule que les éléments qui forment une solution solide doivent avoir des rayons atomiques voisins‚ avec une différence de taille inférieure à 15%. Cette règle est basée sur la notion que les atomes doivent pouvoir se substituer les uns aux autres dans le réseau cristallin sans trop perturber la structure. En effet‚ si les atomes ont des tailles très différentes‚ ils ne pourront pas s’arranger de manière régulière dans le réseau‚ ce qui rendra la formation d’une solution solide impossible.
Cette règle est particulièrement importante pour les métaux de transition‚ où les rayons atomiques varient significativement en fonction de la position dans le tableau périodique.
Règle de l’électronegativité
La règle de l’électronegativité stipule que les éléments qui forment une solution solide doivent avoir des électronegativités voisines‚ avec une différence d’électronegativité inférieure à 0‚4 unité Pauling. Cette règle est basée sur la notion que les liaisons métalliques sont essentiellement non polaires‚ et que les électrons sont donc partagés de manière égale entre les atomes.
Si les électronegativités des éléments sont trop différentes‚ les liaisons métalliques ne pourront pas se former‚ car les électrons seront attirés de manière inégale vers les atomes les plus électronegatifs. Cette règle est particulièrement importante pour les métaux alcalins et alcalino-terreux‚ où les électronegativités varient significativement en fonction de la position dans le tableau périodique.
III. Règles de Hume-Rothery pour les composés intermétalliques
Ces règles prédisent la formation de composés intermétalliques en fonction des valences électroniques et des liaisons chimiques entre les éléments.
Règle de la valence électronique
La règle de la valence électronique stipule que les éléments formant un composé intermétallique doivent avoir des valences électroniques compatibles. Cette compatibilité est définie par la règle de l’octet‚ qui énonce que les atomes tendent à acquérir une configuration électronique stable en remplissant leur dernière couche électronique avec 8 électrons.
Cette règle permet de prédire la formation de composés intermétalliques tels que les phases Laves‚ les phases gamma-brasses et les phases sigma. Par exemple‚ le titane (valence 4) et l’aluminium (valence 3) forment un composé intermétallique TiAl‚ car leur valence électronique est compatible.
Règle de la liaison chimique
La règle de la liaison chimique est basée sur l’idée que la formation d’un composé intermétallique nécessite une combinaison appropriée de liaisons métalliques‚ covalentes et ioniques.
Cette règle prend en compte la nature des liaisons chimiques entre les éléments constitutifs du composé. Les éléments having a strong tendency to form covalent bonds‚ such as silicon and carbon‚ tend to form intermetallic compounds with metals having a similar tendency‚ such as titanium and zirconium.
En revanche‚ les éléments ayant une forte tendance à former des liaisons ioniques‚ tels que le sodium et le chlorure‚ ne forment pas de composés intermétalliques avec des métaux ayant une forte tendance à former des liaisons covalentes.
IV. Exemples d’application des règles de Hume-Rothery
Ces règles sont appliquées pour prédire la formation d’alliages et de composés intermétalliques‚ notamment pour les systèmes Cu-Zn‚ Ti-Al‚ Fe-C et Ni-Cr.
Formation d’alliages Cu-Zn
L’application des règles de Hume-Rothery permet de comprendre la formation des alliages Cu-Zn. Le cuivre et le zinc ont des rayons atomiques voisins (0‚128 nm et 0‚133 nm respectivement)‚ ce qui satisfait la règle de la taille atomique.
De plus‚ leur différence d’électronegativité est faible (1‚9 pour le cuivre et 1‚6 pour le zinc)‚ ce qui permet la formation de liaisons métalliques. Les électrons de valence du cuivre et du zinc sont également compatibles‚ avec une configuration électronique de type nd10(n+1)s1.
Ces conditions favorables expliquent pourquoi les alliages Cu-Zn forment des solutions solides à l’état solide‚ avec des propriétés mécaniques améliorées par rapport aux métaux purs.
Formation de composés intermétalliques Ti-Al
La formation de composés intermétalliques Ti-Al est influencée par la règle de la valence électronique. Le titane et l’aluminium ont des configurations électroniques différentes‚ avec des électrons de valence respectivement de type d2s2 et p1s2.
Cependant‚ ils peuvent former des composés intermétalliques en raison de la possibilité de partager des électrons pour atteindre une configuration électronique stable. La règle de la liaison chimique est également satisfaite‚ car le titane et l’aluminium ont des énergies d’ionisation voisines.
Les composés intermétalliques Ti-Al‚ tels que TiAl et Ti₃Al‚ présentent des propriétés mécaniques améliorées‚ notamment une résistance à la corrosion et une durée de vie accrue‚ en raison de la formation de liaisons covalentes entre les atomes de titane et d’aluminium.
V. Exercices résolus
Cette section propose des exercices résolus pour illustrer l’application des règles de Hume-Rothery à la formation d’alliages métalliques et de composés intermétalliques.
Exercice 1 ⁚ Formation d’alliages Fe-C
L’exercice consiste à déterminer si le fer (Fe) et le carbone (C) forment un alliage métallique selon les règles de Hume-Rothery.
Pour cela‚ nous devons vérifier si les critères de formation d’alliages sont remplis ⁚
- Les rayons atomiques du fer et du carbone sont respectivement de 0‚124 nm et 0‚091 nm‚ ce qui signifie que le rapport des rayons atomiques est inférieur à 1‚5.
- L’électronegativité du fer est de 1‚83 et celle du carbone est de 2‚55‚ ce qui signifie que la différence d’électronegativité est inférieure à 0‚5.
Les deux critères étant remplis‚ nous pouvons conclure que le fer et le carbone forment un alliage métallique.
Exercice 2 ⁚ Formation de composés intermétalliques Ni-Cr
L’exercice consiste à déterminer si le nickel (Ni) et le chrome (Cr) forment un composé intermétallique selon les règles de Hume-Rothery.
Pour cela‚ nous devons vérifier si les critères de formation de composés intermétalliques sont remplis ⁚
- Le nombre de valence électronique du nickel est de 2 et celui du chrome est de 6‚ ce qui signifie que la somme des valences électroniques est égale à 8.
- La liaison chimique entre le nickel et le chrome est possible car ils ont une différence d’électronegativité acceptable.
Les deux critères étant remplis‚ nous pouvons conclure que le nickel et le chrome forment un composé intermétallique.
En résumé‚ les règles de Hume-Rothery sont un outil puissant pour prédire la formation d’alliages métalliques et de composés intermétalliques.
Ces règles‚ basées sur les propriétés atomiques et électroniques‚ permettent de déterminer si deux éléments chimiques peuvent former un alliage ou un composé intermétallique.
Grâce aux exemples et aux exercices résolus présentés dans cet article‚ nous avons vu comment appliquer ces règles pour prédire la formation d’alliages et de composés intermétalliques.
Ces connaissances sont essentielles pour les ingénieurs et les scientifiques travaillant dans le domaine des matériaux et de la métallurgie.
En fin de compte‚ la maîtrise des règles de Hume-Rothery est cruciale pour concevoir et développer de nouveaux matériaux aux propriétés spécifiques.