1ES_Plan de travail_Les cristaux_Mme Frison

Thème 1 : Une longue histoire de la matière

Chapitre 2 : Des édifices ordonnés : les cristaux

COMMENCER

Dans les cosmétiques, les appareils électroniques, à nos poignets, dans nos corps, les roches et le vivant, nombreux sont les cristaux qui nous entourent. Les connaissances acquises au fil des siècles nous permettent également de les utiliser dans de nombreux domaines, de la médecine à l’alimentation.

Objectif : De l’atome à la roche, nous expliquerons comment la structure des éléments détermine les propriétés physiques des minéraux.

Consignes

Introduction

Objectif : De l’atome à la roche, nous expliquerons comment la structure des éléments détermine les propriétés physiques des minéraux.

Il est conseillé de faire les activités dans l'ordre

I. L'organisation de la matière

Definitions

Partie 2 - Le verre, un exemple de solide amorphe (10 min)

Partie 1 - Les cristaux de sels, un exemple de solide ordonné (50 min)

Bilan

II. Les cristaux dans la nature

Definitions

Partie 2 -Le mode de formation des roches

Partie 1 -Les roches, une association de minéraux

Bilan

III. Les cristaux dans le vivant

Definitions

Les cristaux du vivant

Bilan

Organisation : Le plan de travail est une méthode de travail qui permet à l’élève de gérer de façon autonome son apprentissage. Lors des 4 prochaines séances, il est attendu de l’élève qu’il réalise l’ensemble des activités, dans l’ordre qu’il souhaite. À la fin de chaque activité, une correction ainsi qu'un bilan sont proposés et les définitions nécessaires sont présentes. A la fin du plan de travail, l'annexe complète devra être rendue et sera notée ainsi que votre mise au travail, votre niveau sonore et votre attitude tout au long des séances (Annexe)

La halite, communément appelée sel, est une roche évaporitique exploitée pour l’alimentation (sel de table), le salage des routes et dans l’industrie chimique des produits chlorés. En France, l’exploitation du sel marin est très importante puisque l’hexagone français est baigné de mers sur 3 de ses 6 côtés.

Problématique : Comment se forme la halite (le sel ?) ?

Definitions

Questions

Préambule : correction

DOC.3 : L'organisation de la matière dans le cristal de sel

Doc.2: Structure cristalline du sel

Doc.1: Vidéo

Correction

Passage d'un corps d'une phase liquide ou gazeuse à l'état solide

C'est la : Introduire le mot de passe

Le sel au microscope optique

Q.4) Décrivez la structure du sel

Le sel au MEB

Le sel À la loupe

Observation de la cristallisation

5 ) À l’aide du logiciel MINSUC observe la structure du sel (halite) -Onglet fichier : halite Onglet commande : - afficher les atomes : cliquer sur : sphère 20% - afficher les liaisons sous forme de bâtonnet --> dessine-la structure cristalline du sel en perspective cavalière *

MINUSC

La perspective cavalière* : permet de représenter un solide sur une feuille de papier. Les arêtes cachées sont dessinées en pointillés. Les arêtes parallèles sur le solide sont représentées par des segments parallèles

Les premiers objets en verre datent d'envirosn 2500 ans avant notre ère. Ils ont été retrouvés en Égypte et au Proche-Orient. À l'aide de l'extrémité de son tube en acier creux, appelé "canne du verrier", les souffleurs de verre receuille la pâte de verre en fusion à environ 1300°C. En soufflant dans la canne, ils donnent à l'objet la forma désirée

Questions

Definitions

glass-blower

Structure du verre

La formule chimique du sel est :

Introduire le mot de passe(en minuscule)

Bilan I. L’organisation de la matière

A l’échelle microscopique, les entités chimiques (atomes, ions ou molécules) constituant les solides cristallins s’agencent de manière ordonnée et régulière (périodique). Une structure cristalline est définie par une maille élémentaire répétée suivant les trois dimensions spatiales. Les cristaux les plus simples peuvent être décrits par une maille cubique que la géométrie du cube permet de caractériser.A L’échelle macroscopique, cette organisation conduit à la formation de cristaux aux formes géométriques bien définies. Au contraire, les solides amorphes (le verre, par exemple) ne représentent aucune organisation particulière à l’échelle microscopique : les entités chimiques se répartissent de manière aléatoire. Les solides amorphes n’ont donc pas de forme géométrique précise.

Les minéraux, principaux constituants des roches, ont des compositions chimiques et des propriétés physiques caractéristiques. Ces propriétés sont à l’origine de la diversité des roches. Certaines roches présentent une structure majoritairement cristalline mais d’autres présentent une structure essentiellement amorphe, c’est le cas du verre.

Problématique : De quoi dépendent les propriétés macroscopiques des minéraux et comment expliquer de telles différences de structure ?

Consigne : Au cours d’une promenade dans les Alpes, vous avez ramassé une roche, il s’agit probablement d’un granite mais vous n’en êtes pas complètement certain…

Questions

Aide : observation macroscopique du granite

La roche ramassée

Definitions

obserVation au microscope polarisant

Clef de détermination des mineraux

Documents

Correction

Le basalte et le gabbro sont deux roches issues d’un même magma qui résulte de la fusion partielle des péridotites du manteau supérieur. Pourtant elles sont très distincte l’une de l’autre. Problématique : Comment expliquer de telles différences ?

Le basalte : observation macroscopique

Le gabbro : observation macroscopique

Questions

Definitions

Le gabbro : observation microscopique

Le basalte : observation microscopique

Doc.1

Doc.2

Pour regarder l'expérience

Quel est la paramètre qui varie lors de la formation de ces roches ?

C'est la ...... de refroidissement

Bilan II. Les cristaux dans la nature

Une roche est formée de l’association d’un ou plusieurs minéraux, dont les propriétés dépendant de l’arrangement spatial des entités chimiques les constituant.Dans le cas des roches magmatiques (issues du volcanisme), la vitesse de refroidissement influence la formation des cristaux : - Le refroidissement rapide d’une lave conduit à une cristallisation partielle. Il se forme alors un verre, solide amorphe ne présentant pas d’organisation cristalline. (ex : le basalte) - Le refroidissement lent d’une lave conduit à une cristallisation totale. On ne retrouve pas de verre. (ex : le granite)

Au cours de l’évolution biologique qui a débuté sur Terre il y a plus de 3,5 milliards d’années, les organismes vivants ont développé la capacité d’associer des éléments minéraux à des molécules organiques pour former des structures minéralisées rigides.

Problématique : Comment se comportent les structures cristallines dans les organismes biologiques ?

Consigne : À l'aide de l'ensemble des documents suivants remplissez le tableau à votre disposition

Documents

Correction

Que sont les os ?

Que sont les calculs rénaux ?

Pourquoi les coquilles sont-elles nacrées ?

Pourquoi le caméléon change-t-il de couleur?

Bilan III. Les cristaux du vivant

Au cours de l’évolution biologique qui a débuté sur Terre il y a plus de 3,5 milliards d’années, les organismes vivantsont développé la capacité d’associer des éléments minéraux à des molécules organiques pour former des structures minéralisées rigides. Ce phénomène, que l’on nomme la biominéralisation. Un cristal produit par un être vivant est un cristal biogénique, par exemple : les calculs rénaux, le squelette des vertébrés ou les coquilles de nacres des huîtres.

Animal qui peut changer de couleur grâce à des cristaux

Introduire le mot de passe

Extérieur: Calcite

Cristallisation : phénomène par lequel des substances dans un état désordonné passe à un état solide ordonné avec des formes géométriques déterminées

Maille : forme géométrique permettant de décrire l’empilement des entités chimiques (ions/atomes) qui se répète de manière régulière (périodique) pour former le cristal.

Amorphe : terme venant de la racine grecque morphos (forme) associée au préfixe privatif « a » pour signifier « sans forme ».

Cristal : solide dont les atomes ou molécules constitutifs sont arrangés de manière très régulière dans les 3 directions de l'espace

Cristallisation : phénomène par lequel des substances dans un état désordonné passe à un état solide ordonné avec des formes géométriques déterminées

Maille : forme géométrique permettant de décrire l’empilement des entités chimiques (ions/atomes) qui se répète de manière régulière (périodique) pour former le cristal.

Amorphe : terme venant de la racine grecque morphos (forme) associée au préfixe privatif « a » pour signifier « sans forme ».

Cristal : solide dont les atomes ou molécules constitutifs sont arrangés de manière très régulière dans les 3 directions de l'espace

Une roche : désigne des matériaux naturels solides, formés de minéraux, comportant parfois des fossiles (roches sédimentaires) ou des agrégats d’autres roches. Les minéraux : composent les roches, ce sont des solides naturels homogènes définis par leur composition chimique. Leur organisation atomique peut être désordonnée (amorphe, ex. pâte ou verre volcanique), ou ordonnés de manière régulière : ils sont alors sous forme de cristaux.

Cristallisation : phénomène par lequel des substances dans un état désordonné passe à un état solide ordonné avec des formes géométriques déterminées

Maille : forme géométrique permettant de décrire l’empilement des entités chimiques (ions/atomes) qui se répète de manière régulière (périodique) pour former le cristal.

Amorphe : terme venant de la racine grecque morphos (forme) associée au préfixe privatif « a » pour signifier « sans forme ».

Cristal : solide dont les atomes ou molécules constitutifs sont arrangés de manière très régulière dans les 3 directions de l'espace

1) Observez la roche que vous avez trouvée 2) Observez les minéraux des roches grace au microscope polarisant 3) À l'aide de la clef de détermination, identifier les minéraux présents 4) Déterminer si granite est un solide amorphe ou cristallisé

Le changement de couleur des caméléons est dû à un cristal. Il s’agit de nano-cristaux de guanine (C5H5N5O), qui se forment dans les cellules de la peau appelées iridophores. Ces cristaux sont triangulaires et transparents et sont produits par les iridophores à partir de la guanine (un acide nucléique également constituant de l'adn). Au repos, les cristaux rapprochés reflètent les petites longueurs d’onde (bleu, vert), alors qu’à l’état excité, les cristaux espacés reflètent des longueurs d’onde plus importantes (jaune, orange). Ceci change la couleur de l’animal (mimétisme, protection…).

Cristallisation : phénomène par lequel des substances dans un état désordonné passe à un état solide ordonné avec des formes géométriques déterminées

Maille : forme géométrique permettant de décrire l’empilement des entités chimiques (ions/atomes) qui se répète de manière régulière (périodique) pour former le cristal.

Amorphe : terme venant de la racine grecque morphos (forme) associée au préfixe privatif « a » pour signifier « sans forme ».

Cristal : solide dont les atomes ou molécules constitutifs sont arrangés de manière très régulière dans les 3 directions de l'espace

Une roche : désigne des matériaux naturels solides, formés de minéraux, comportant parfois des fossiles (roches sédimentaires) ou des agrégats d’autres roches. Les minéraux : composent les roches, ce sont des solides naturels homogènes définis par leur composition chimique. Leur organisation atomique peut être désordonnée (amorphe, ex. pâte ou verre volcanique), ou ordonnés de manière régulière : ils sont alors sous forme de cristaux.

Cristallisation : phénomène par lequel des substances dans un état désordonné passe à un état solide ordonné avec des formes géométriques déterminées

Maille : forme géométrique permettant de décrire l’empilement des entités chimiques (ions/atomes) qui se répète de manière régulière (périodique) pour former le cristal.

Amorphe : terme venant de la racine grecque morphos (forme) associée au préfixe privatif « a » pour signifier « sans forme ».

Cristal : solide dont les atomes ou molécules constitutifs sont arrangés de manière très régulière dans les 3 directions de l'espace

Cristallisation : phénomène par lequel des substances dans un état désordonné passe à un état solide ordonné avec des formes géométriques déterminées

Maille : forme géométrique permettant de décrire l’empilement des entités chimiques (ions/atomes) qui se répète de manière régulière (périodique) pour former le cristal.

Amorphe : terme venant de la racine grecque morphos (forme) associée au préfixe privatif « a » pour signifier « sans forme ».

Cristal : solide dont les atomes ou molécules constitutifs sont arrangés de manière très régulière dans les 3 directions de l'espace

Structure chimique du verre pure (SiO2)

Calcul rénaux au MEB (à gauche) et MO(au dessus)

1) Observer les deux roches et décrivez-les 2) Observer les minéraux des roches grace au microscope polarisant 4) Déterminer si ces deux roches sont des solides amorphes ou cristallisés 5) Définis la texture de ces deux roches (doc.1) 6) En t'aidant de l'ensemble de tes observations et du document 2, détermine le paramètre qui varie lors de la formation de ces deux roches. 7) Observe et décris l'expérience. Le paramètre choisi était-il le bon ? 8) Remplis la dernière ligne de ton tableau : quel est le mode de formation de ces deux roches ?

1) Remplir le prémabule dans le cours 2) Visionner la vidéo (doc.1 jusqu'à 4,30 min) 3) Donner le nom et la formule chimique du sel. (doc.1) 4) Quels sont les facteurs naturels qui permettent la cristallisation du sel ? (doc.1) 5) Décrivez la structure du sel (doc.2) 6 ) À l’aide du logiciel MINSUC (doc.3) et des docs associés observe la structure du sel (halite) Onglet fichier : halite Onglet commande : - afficher les atomes : cliquer sur : sphère 20% - afficher les liaisons sous forme de bâtonnet --> dessine-la structure cristalline du sel

Les os du squelette sont constitués d’unités cylindriques (les ostéons) qui sont formées par des cellules : les ostéocytes. Ces cellules déposent une première couche de collagène (protéine fibreuse) qu’elles recouvrent ensuite d’une couche de cristaux d’hydroxyapatite de calcium : Ca10(PO4)6(OH)2. Ces cristaux forment des structures hexagonales de couleur blanche qu’on retrouve également dans les dents (voir ci-contre, l’observation en MEB). L’association entre le collagène et ces cristaux forme une structure rigide qui assure le soutien, d’autant plus que les ostéons s’organisent en un réseau (voir stries sur le fémur) orienté selon les contraintes appliquées durant la croissance.

L’oxalate de calcium est la forme la plus fréquente d’un calcul rénal, près de 70 à 80 % de la composition de la majorité des calculs. Les cristaux d’oxalate de calcium sont formés par du calcium et de l’acide oxalique. L’atome de calcium (Ca) est naturellement abondant dans les urines. Avec l’acidité de l’urine, l'acide oxalique prend la forme d’ion d’oxalate. L’ion d’oxalate et l’ion de calcium s’attirent et se lient pour former l’oxalate de calcium Ca(COO)2 ou CaC2O4.

Les minéraux : composent les roches, ce sont des solides naturels homogènes définis par leur composition chimique. Leur organisation atomique peut être désordonnée (amorphe, ex. pâte ou verre volcanique), ou ordonnés de manière régulière : ils sont alors sous forme de cristaux. Cristal : Un cristal est un solide dont les constituants (atomes, molécules ou ions) sont assemblés de manière régulière, par opposition au solide amorphe.