AD Le chlorure de sodium, un sel parmi tant d'autres

Le chlorure de sodium, un sel parmi tant d'autres

Le chlorure de sodium de formule chimique NaCl est sans doute l'un des sels les plus connus puisque c'est notre sel de cuisine. ➜ Comment les ions Na+ et les ions Cl- forment-ils le réseau cristallin du chlorure de sodium ?

S. CIAMPI Lycée Beaussier La Seyne sur mer

Un peu d’histoire de la cristallographie...

Doc. 1 D’où vient le sel ?

Doc.2 Le chlorure de sodium vu à différentes échelles

Doc. 3 Comprendre la perspective cavalière

Doc.4 Le logiciel Minusc

Un peu d’histoire de la cristallographie...

Historiquement, la cristallographie naît de la fascination de Platon et Théétète, tous deux philosophes et mathématiciens, pour la beauté des formes régulières des cristaux.Idéalisés avec des faces identiques dont les côtés et les angles sont tous égaux, les fameux cinq polyèdres platoniciens sont alors le symbole de l’harmonie universelle, qui ne peut être que d’origine divine. Dans son Timée, Platon associait chacun de ces polyèdres à ce que l’époque estimait être les quatre éléments : le tétraèdre était le feu, le cube la Terre, l’octaèdre l’air et l’icosaèdre l’eau, le dodécaèdre pentagonal étant censé symboliser l’univers.

Cette fascination pour la beauté et la diversité des formes minérales s’est perpétuée au cours des siècles, avec la création de multiples collections d’espèces et l’émergence de la minéralogie, une nouvelle science dédiée à l’étude de la nature et de la forme des cristaux.

La légende veut d’ailleurs qu’un de ces minéralogistes, l’abbé René-Just Haüy, soit, à la suite d’une maladresse doublée d’une solide réflexion, à l’origine de l’acte fondateur de ce que deviendrait plus tard, grâce à la diffraction des rayons X, la cristallographie à l’échelle moléculaire. Sa maladresse ? Laisser tomber un cristal de calcite, de forme rhomboédrique parfaite. Haüy observa que les fragments du cristal brisé présentaient la même morphologie extérieure que le cristal de départ (Figure 1). Répétée de multiples fois, l’expérience parvient toujours à la même conclusion - la conservation de la forme - et se vérifie sur d’autres espèces cristallines. En extrapolant à l’infini, Haüy définit alors le concept de « molécule intégrante », qui préfigure celui de « maille cristalline ».

maille cristalline

La cristallographie moderne relève de deux actes fondateurs successifs : la découverte des rayons X en 1895 par Wilhelm Röntgen (tout premier prix Nobel de physique, en 1901), et la démonstration de leur diffraction par un cristal, en 1912, ce qui vaudra à Max von Laue le prix Nobel en 1914. Les progrès théoriques dans ce domaine sont extrêmement rapides puisque, dès 1915, William H. Bragg et son fils Laurence décrivent les premières structures cristallines (celles du NaCl et du ZnS), ce qui leur vaudra également le prix Nobel la même année. La Lettre de l’Académie des sciences AUTOMNE-HIVER 2014

Doc. 1 D’où vient le sel ?

gemme

sel

Le sel ou chlorure de sodium, de formule chimqie cristalline NaCl, semble une denrée inépuisable sur la planète, mais les formes qu'il prend sont multiples […] C’est un minéral d'origine marine. Présent dans l'eau lorsque les océans recouvraient la Terre, il s'est déposé en couches de sédiments à chaque retrait de la mer. Il se trouve aujourd'hui en abondance dans la nature, soit à l'état de roche, le sel gemme, soit dissout dans l'eau de mer. - La halite (du grec hals, « sel », et lithos, « pierre ») désigne le sel gemme. Les gisements de halite proviennent de l'évaporation de mers ou de lacs salés. Ils sont composés de couches qui peuvent atteindre jusqu'à 30 mètres d'épaisseur. - Le sel marin. Le chlorure de sodium issu de l'évaporation de l'eau de mer, appelé sel marin ou sel de mer, est produit ou récolté dans des marais salants. L'énergie solaire ou éolienne permet d'évaporer l'eau. - La saumure. La saumure désigne une eau chargée en sel, qu'elle soit d'origine marine ou fossile (sel gemme). Le sel de saumure est obtenu par évaporation de l'eau, soit naturellement, soit en chauffant l'eau salée. On parle alors de sel ignigène. - Le sel extrait des végétaux. Dans les régions dépourvues de ressources en sel, le sel peut être extrait de végétaux (plantes halophytes) dont on fait brûler les feuilles. Les plantes halophytes vivent dans les milieux riches en sel, soit des sols, soit des terrains recouverts par la mer. C'est le cas, par exemple, de la salicorne, qui pousse dans les marais salants. Les cendres végétales sont traitées de manière à en extraire les nombreux sels minéraux. https://www.inrap.fr/dossiers/Archeologie-du-Sel/Qu-est-ce-que-le-sel-/D-ou-vient-le-sel-#.XITbM7hCeUk

Doc. 2 Le chlorure de sodium vu à différentes échelles

< Cristaux millimétriques de sel de marais salants observés à la loupe

< Cristal de NaCl (halite) vu à l'oeil nu

< Cristal de NaCl observé au microscope à force atomique. Seuls les ions chlorure apparaissent ; les ions sodium, 2 fois plus petits, n'interagissent pas avec le capteur du microscope.

< Cristaux de sel observés au microscope électronique à balayage

Doc.3 Comprendre la perspective cavalière

La perspective cavalière permet de représenter un solide à 3 dimensions sur une feuille. Afin de dessiner un cube, en plus de l’échelle du dessin (le nombre b/a), deux paramètres peuvent être choisis par le dessinateur : - le coefficient de fuite k tel que : c=kxb,- l’angle de fuite α

Doc.4 La structure cristalline ionique du chlorure de sodium

Visualiser la maille de halite

Le logiciel Minusc

● Choisir le fichier halite (cristal de chlorure de sodium) et régler les paramètres ainsi : - Afficher atomes : Sphères 20% - Afficher liaisons : Fil de fer - Afficher polyèdre : Effacer ● Faire varier le nombre de mailles selon les 3 directions de l’espace, en modifiant les valeurs a, b et c.