1 ES Cristaux

Activité 2 : Un exemple de cristal : le chlorure de sodium

Activité 1 : Un peu d'histoire des sciences

INTRODUCTION

Des édifices ordonnées :LES CRISTAUX

Activité 5 : Des cristaux dans le vivant

CONCLUSION

Activité 3 : Un point commun entre le diamant et le graphite ?

Activité 4 : Des cristaux dans les roches

INTRODUCTION

"Le style est comme le cristal, sa pureté fait son éclat. "

Victor Hugo, Odes et Balades, 1828.

Les cristaux sont présents partout autour de nous : dans la neige, dans le sucre ou dans les sels comme le chlorure de sodium mais aussi dans de nombreuses roches. Certaines sont parfois rares et précieux ! Problème : Qu'est-ce qu'un cristal ? Les cristaux ont-ils tous la même organisation microscopique ?

Le diamant rouge, une des pierre les plus préciseuses

La grotte de Naica et ses cristaux géants

Des cristaux de sucre

Des cristaux de carbonate de calcium dans les urines

Activité 1 : Un peu d’histoire des sciences « Cristaux et cristallographie »

Prendre une feuille (idéalement double) que vous utiliserez pour l'ensemble des activités du chapitre.

Consigne : 1/ Visionnez l’extrait de la vidéo « La cristallographie, une clé pour comprendre la matière » et complétez la frise du livret de cours. 2/ Indiquez la définition de cristal et de maille dans le bilan du livret de cours. .

CORRECTION

VIDEO : "La cristallographie, une clé pour comprendre la matière"

Définition de cristal et de maille

De 2min30 à 8 min

Activité 2 : Un exemple de cristal : le chlorure de sodium

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.

1/ Les cristaux de sel à l’échelle macroscopique a) A l’aide de l’ensemble des ressources et du matériel à disposition, fabriquez des cristaux de sel. Pour cela, concevez un protocole (à rédiger sur votre feuille double) dans lequel vous préciserez la concentration en sel de votre préparation en g/L ( rappel : C=m/V). Appeler la professeure pour validation puis fabriquer vos cristaux. b) Décrivez la géométrie des cristaux de sel obtenus. .

CORRECTION

Aide protocole

Next

Doc 1 : Les grottes de sel du Mont Sodome en Israël

Doc 2 : Marais salant à Noirmoutier

Doc 3 : Grains de sel observés à l'oeil nu

VIDEO : "Comment se forme les cristaux de sel ? "

Activité 2 : Un exemple de cristal : le chlorure de sodium

2/ Les cristaux de sel à l’échelle microscopique a) A l’aide du protocole 1, réalisez une préparation microscopique d’eau salée afin d’observer la formation de cristaux de sel. Décrivez la forme géométrique des cristaux formés. b) A l’aide du logiciel MinUSc et du protocole 2, étudiez le sel au niveau moléculaire. Décrivez l’unité élémentaire du cristal de sel appelée « maille » (nombre et types d’ions, système cristallin, réseau). .

CORRECTION

Next

Logiciel MinUSc

Doc 1 : Grains de sel observés au microscope électronique à transmission

Doc 2 : Propriétés des cristaux

PROTOCOLE 1

PROTOCOLE 2

Activité 2 : Un exemple de cristal : le chlorure de sodium

3/ Lien entre l'échelle macroscopique et l'échelle microscopique a) Comparez la forme du sel aux différentes échelles d’observation. b) A l’aide de vos observations, indiquez si l’hypothèse de Haüy était correcte. .

CORRECTION

Doc : L'hypothèse de Haüy, les molécules constituantes (également appelées molécules intégrantes)

Activité 3 :Un point commun entre le diamant et le graphite ?

CORRECTION

1/ Construisez un tableau de comparation de la composition chimique, de la structure cristalline et des propriétés du diamant et du graphite. Eléments à comparer : Composition chimique (entité chimique), système cristallin, masse volumique (g/cm3), dureté, opacité (opaque à transparent). 2/ Quel est le point commun entre le diamant et le graphite ? Proposez une explication aux différences de propriétés macroscopiques du diamant et du graphite. .

Aide

Doc 1 : Diamant

Logiciel MinUSc

Doc 2 : Graphite

Doc 3 : Propriétés des cristaux

PROTOCOLE MinUSc

Si besoin : recherche internet - attention à la fiabilité des sources

Activité 4 : Des cristaux dans les roches

Les cristaux que l'on trouve dans la nature, dans les roches par exemple, peuvent être identifiés grâce à leurs propriétés macroscopiques et microscopiques.

1/ Un peu de vocabulaire : roche, minéral, cristal et solide amorphe a) Sous quelle forme est la silice à : 1000°C et 5GPa, 1000°C et 12GPa, 20°C et 2 GPa. b) Déterminez le point commun et les différences entre toutes ces formes de la silice. c) Donnez une définition aux termes : "minéral", "roche" et "solide amorphe" en vous appuyant sur les exemples présentés dans les documents. .

CORRECTION

Next

Doc 1 : Graphique des différentes formes cristallines de la silice selon la pression et température de cristallisation

Doc 2 : Le granite observé à plusieurs échelles

Doc 3 : L'obsidienne, une roche sans minéraux

Doc 4 : Vidéo : De l'atome à la roche

Activité 4 : Des cristaux dans les roches

Les cristaux que l'on trouve dans la nature, dans les roches par exemple, peuvent être identifiés grâce à leurs propriétés macroscopiques et microscopiques.

2/ Les conditions de cristallisation a) Déterminez le point commun et les différences entre le basalte et le gabbro. b) Proposez une relation entre la présence de verre dans les roches magmatiques et les conditions de refroidissement d'un magma. c) Comprendre l'expérience (doc 3) : - Indiquez l'hypothèse testée dans l'expérience - Indiquez ce qui modélise le magma - Indiquez ce que représente les différentes températures .

CORRECTION

Next

Doc 3 : Modèle de l'effet des conditions du refroidissement sur la cristallisation

Doc 2 : Localisation de la formation du basalte et du gabbro

Doc 1 : Les roches magmatiques de la croûte océanique : le basalte et le gabbro

Activité 4 : Des cristaux dans les roches

Les cristaux que l'on trouve dans la nature, dans les roches par exemple, peuvent être identifiés grâce à leurs propriétés macroscopiques et microscopiques.

d) Réalisez un schéma comparatif des résulats obtenus. e) Déterminez le point commun et la différence entre la structure du verre et celle du quartz. f) Expliquez comment les mêmes entités chimiques peuvent former une structure cristalline ou bien une structure amorphe. .

CORRECTION

Doc 5 : Comparaison de l'organisation d'un verre et d'un cristal de même composition

Doc 4 : Résultats de l'expérience

Activité 5 : Des cristaux dans le vivant

On retrouve des structures cristallines aussi au sein des organismes vivants : squelettes interne ou externe, excroissances minérales, permettant d’assurer de nombreuses fonctions de support, de protection, de résistance. Aujourd’hui, l’étude des structures cristallines des organismes vivants recouvre de nombreux champs d’investigation : la médecine (calculs rénaux, ossification, cristaux liquides), le développement durable (les coraux), l’alimentation (coquille d’œuf), les techniques d’étude (cristallisation de virus ou de molécule organique), la gemmologie (perles huîtrières)...

a) Réalisez une préparation microscopique d’œuf en suivant le protocole 1. b) Observez votre préparation en lumière polarisée non analysée PUIS polarisée analysée en utilisant l'objectif x10 (jaune). c) A l’aide des documents, expliquez le rôle de la coquille d’œuf. .

CORRECTION

Doc 1 : La coquille des oeufs de poule

Doc 2 : Oeuf et salmonellose

PROTOCOLE 1

CONCLUSION

Les cristaux sont présents partout autour de nous : dans la neige, dans le sucre ou dans les sels comme le chlorure de sodium mais aussi dans de nombreuses roches. Certaines sont parfois rares et précieux ! Problème : Ces cristaux, ou solides cristallins, ont-ils des organisations toutes identiques à l'échelle microscopique ?

Un cristal est défini par la forme géométrique de la maille, la nature des entités chimiques et leur position géométrique dans cette maille.

CONCLUSION

Les cristaux sont présents partout autour de nous : dans la neige, dans le sucre ou dans les sels comme le chlorure de sodium mais aussi dans de nombreuses roches. Certaines sont parfois rares et précieux ! Problème : Ces cristaux, ou solides cristallins, ont-ils des organisations toutes identiques à l'échelle microscopique ?

Un cristal est défini par la forme géométrique de la maille, la nature des entités chimiques et leur position géométrique dans cette maille.

CONCLUSION

CONCLUSION

Les 7 systèmes cristallins : forme de la maille

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4 types de réseaux : position et nature des entités qui le constitue

A : Les réseaux de Bravais

Suite du doc

B : Représentation d'un réseau cubique

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Protocole 2

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- Aller sur le logiciel MinUSc- Choisir le fichier halite (NaCl). - Observer l’unité élémentaire du sel (vous pouvez tourner la molécule avec la souris). - Décrire la forme géométrique de l'unité élémentaire du cristal de sel appelée « maille ». - Modifier les paramètres d’affichage : affichez 2 mailles dans toutes les directions : a =2, b=2 et c=2. Puis 3 mailles. Indiquer le type de maille (réseau de Bravais) en vous aidant du document 2A. -Indiquer les entités chimiques qui compose le chlorure de sodium (rappel : cation = ion positif, anion = ion négatif). -Etude de la répartition des charges dans la maille (stoechiométrie) : déterminer le nombre d'ions par maille (attention : il faut garder à l'esprit que les atomes ou ions situés en bordure de maille sont partagés avec les mailles voisines). Noter vos calculs. Aidez-vous du document 2B. Vérifier vos calculs en remplissant le tableau dans "Formule" avec le nombre d'ions. Conclure sur l'équilibre des charges.

Protocole

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- Aller sur le logiciel MinUSc- Choisir le fichier diamant ou graphite. - Observer la maille (vous pouvez tourner la molécule avec la souris). - Modifier les paramètres d’affichage : affichez 2 mailles dans toutes les directions : a =2, b=2 et c=2. Puis 3 mailles. Indiquer le type de réseau de Bravais en vous aidant du document 3A. -Indiquer les entités chimiques qui le compose. -Afin de calculer la masse volumique : remplir le tableau dans "Formule" avec le nombre d'atomes. Remplir les cases : composition chimique, système cristallin et masse volumique de votre tableau.

Graphique des différentes formes cristallines de la silice selon la pression et température de cristallisation La silice est un composé de formule SiO2

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Tableau de quelques caractéristiques des formes de la silice

Le granite observé à plusieurs échelles Le granite est une roche qui forme l'essentiel de la croûte continentale de la Terre. C'est une roche magmatique plutonique : elle est formée par le refroidissement d'un magma en profondeur (dans une chambre magmatique). Elle est constituée de plusieurs minéraux dont de la silice sous forme de quartz.

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L'obsdienne, une roche sans minéraux L'obsidienne est une roche magmatique volcanique formée par le refroidissement rapide d'un magma, elle a la même composition chimique que le granite pourtant elle ne possède pas de minéraux. Elle est constituée en majorité par du verre, une structure qui n' a pas d'organisation régulière, on parle de structure amorphe.

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Vue au microscope polarisant LPNA et LPA

Vue macroscopique (à l'oeil nu)

Les roches magmatiques de la croûte océanique Le gabbro et le basalte sont les roches de la croûte océanique de la Terre.

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Localisation de la formation du basalte et du gabbro

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Le gabbro et le basalte sont des roches magmatiques (formées à partir du refroidissement d'un magma) : - le gabbro est une roche magmatique plutonique (comme le granite étudié précedemment) -le basalte est une roche magmatique volcanique (comme l'obsidienne étudiée précedemment)

dorsale

chambre magmatique

Localisation de la formation du basalte et du gabbro

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Le gabbro et le basalte sont des roches magmatiques (formées à partir du refroidissement d'un magma) : - le gabbro est une roche magmatique plutonique (comme le granite étudié précedemment) -le basalte est une roche magmatique volcanique (comme l'obsidienne étudiée précedemment)

dorsale

chambre magmatique

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Résultats de l'expérience

A t = 3 min

A t = 0 min

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CORRECTION ACTIVITE 2 1/ Les cristaux de sel à l’échelle macroscopique a) Protocole Mettre … gramme de sel dans … mL d’eau chaude. Mélanger avec l’agitateur jusqu’à dissolution. Noter la concentration et les prénoms sur le bord de la boite de pétri. Verser quelques gouttes dans la boite de pétri. Laisser évaporer à l’air libre. b) Les cristaux ont une forme carrée/cubique.

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2/ Les cristaux à l’échelle microscopique a) Les cristaux ont une forme carrée/cubique. b) Forme géométrique : maille cubique face centrée Cristal formée d’une association de mailles cubiques à faces centrées.Entités chimiques : ions sodium (Na+) et ions chlorures (Cl-)

Stœchiométrie de la maille : - Ions sodium Dans la maille, il y a 13 ions sodium (12 au niveau des arêtes et 1 au centre). Les ions des arêtes apportent une contribution ¼ à la maille (car ils sont partagés entre 4 mailles). Les ions des arêtes apportent une contribution 1 à la maille (car ils sont contenus dans une seule maille). On a donc : 12 x ¼ + 1 x 1 = 4 - Ions chlorure Dans la maille, il y a 14 ions chlorure (8 au niveau des sommets et 6 au niveau des faces). Les ions des sommets apportent une contribution 1/8 à la maille (car ils sont partagés entre 8 mailles). Les ions des faces apportent une contribution 1/2 à la maille (car ils sont partagés entre 2 mailles). On a donc : 8 x 1/8 + 6 x 1/2 = 4 Il y a par maille autant d'atomes de chaque espèce chimique ce qui confirme l'équilibre des charges (stœchiométrie 1 : 1).

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3/ Lien entre l'échelle macroscopique et l'échelle microscopique a) La forme cubique des cristaux s'explique par la répétition d'un motif cubique dans les trois directions de l'espace. b) Elle l’est : la forme du cristal provient de la forme de la « molécule constituante » = la maille.

CORRECTION ACTIVITE 3

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Modèle de l'effet des conditions du refroidissement sur la cristallisation

La vanilline est un composé sous forme de poudre cristalline. Sa faible température de fusion (environ 80°C) permet de l'utiliser pour modéliser la formaition de cristaux par refroidissement.

Comparaison de l'organisation d'un verre (A) et d'un cristal de même composition, le quartz (SiO2) (B)

La coquille des oeufs de poule

Chez la poule, il faut environ 20h pour la fabrication d’un œuf. La minéralisation de la coquille est l’une des plus rapides du monde vivant. La coquille est composée essentiellement de carbonate de calcium, d’eau et de protéines spécifiques qui contrôle la fabrication de la coquille. Des équipes de l’INRA travaillent à identifier les gènes impliqués dans la synthèse de la coquille d’œuf en vue d’améliorer ses propriétés mécaniques.

Oeuf et salmonellose

Les salmonelles sont des bactéries présentes dans le tube digestif des poules domestiques sans que celles-ci ne manifestent de symptômes. Lors de la ponte, le contenu de l'oeuf est généralement dépourvu de micro-organismes. Cependant, une contaminaton est toujours possible : elle se fait au travser de la coquille, par des souches bactériennes présentes dans les excréments qui souillent la coquille, par des microfissues, d'autant plus lorsque la cuticule qui recouvre la coquille est détruite. La contamination de l'humain se fait pa la consommation d'oeufs crus abirant des bactéires (mayonnaise, tiramisu, mousse au chocolat, ...) et se manifeste par une toxi-infection.

1799 : Romé de l’Isle : loi de constance des angles 1800 : Haüy : cristaux constitués de parties insécables qu’il appelle « molécules intégrantes/constituantes », symétrie aux différentes échelles du cristal 1850 : Bravais – 14 familles de cristaux – réseaux de Bravais Théorie des groupes (230 groupes de symétrie) 1895 : Röentgen : découverte des rayons X 1912 : Laue : diffraction des rayons sur les cristaux 1915 : Bragg : analyse des cristaux avec rayons X

Protocole 1

Observer des cristaux de sel au microscope

- Déposer une goutte d’eau sur-salée à l’aide de la pipette au centre d’une lame. - Étaler le plus possible avec la pipette pour former de toutes petites gouttes. - Observer ces petites gouttes au microscope au petit grossissement. - Décrire la forme géométrique des cristaux qui se forment.

Les cristaux sont formés par la répétition régulière dans l’espace d’une structure élémentaire appelée maille. La maille correspond à l’arrangement dans l’espace d’entités chimiques (atomes, ions ou molécules). Un cristal est donc défini par la forme géométrique de la maille, la nature des entités chimiques et leur position géométrique dans cette maille.

Chapitre : Les cristaux, des édifices ordonnés

Prénom NOM

Activité 2 : Un exemple de cristal

1/ Les cristaux à l'échelle macroscopique

a) Protocole pour fabriquer des cristaux de sel -Mettre .... g de sel dans un bécher -..... -.....

Aide : Penser à noter votre masse de sel et votre volume d'eau afin de calculer la concentration en sel de votre solution ! Noter vos prénoms et votre concentration sur le bord de la boite de pétri (il faudra enlever le couverble pour l'évaporation) Penser au volume d'eau salée dans la boite, il doit s'évaporer en 1 semaine