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Pourquoi Dit-on que les cristaux sont des édifices ordonnés ?
Les cristaux sont des édifices chimiques possédant une structure tridimensionnelle parfaitement ordonnée. Ils sont caractérisés par le motif élémentaire, maille de cette structure. Les conditions physiques ou chimiques peuvent modifier le type cristallin d’un même composé.
Comment sont organisés les cristaux ?
Une structure moléculaire extrêmement bien organisée est le point commun de tous les cristaux. Tous les atomes (ou ions) d’un cristal sont agencés de sorte qu’un même motif se répète. Par exemple, dans le cas du sel de table (NaCl), les cristaux sont composés de cubes d’ions de sodium (Na) et d’ions de chlore (Cl).
Quels sont les différents types de cristaux ?
| Type de cristal | Forces de cohésion | Motif |
|---|---|---|
| Moléculaire | Liaisons hydrogène, interactions de Van der Walls,… | Molécule |
| Métallique | Liaison métallique (électrons libres) | Atome métallique |
| Ionique | Force électrostatique | Ions |
| Covalent | Liaison covalente | Atomes |
Quels sont les trois types de cristaux possibles ?
Il est ainsi possible d’identifier un grand nombre de structures. Par exemple, les métaux cristallisent sont identifiés selon trois types de réseaux : cubique centré (fer, chrome), cubique à faces centrées (aluminium, cuivre), et hexagonal compact (zinc, titane).
Quels sont les deux types de solides que l’on peut distinguer ?
Un solide est un objet en trois dimensions, c’est-à-dire qu’il occupe un volume dans l’espace. On peut distinguer deux catégories de solides : les polyèdres et les non polyèdres. Un polyèdre est un solide délimité par des faces qui sont toutes des polygones.
Quelles sont les conditions de formation des cristaux ?
Pour qu’un cristal puisse se former, il faut qu’un élément chimique soit mis en contact avec une solution liquide, en général de l’eau, et qu’il puisse évoluer dans des conditions favorables (température, pression, temps d’évaporation).
Quelles sont les caractéristiques des cristaux ?
Un cristal est le plus souvent un solide, dont les atomes ou molécules constitutifs sont arrangés de manière très régulière dans l’espace. Les atomes et molécules sont disposés sur des plans, espacés de distances définies en se recoupant selon des angles bien précis.
Quelle est la nature des cristaux ?
Les cristaux – des êtres vivants naturels – évoluent en absorbant les molécules issues de leur environnement chaotique, et en les superposant de manière à former des motifs réguliers parfaitement ordonnés.
Qu’est-ce que l’organisation cristalline ?
La structure cristalline (ou structure d’un cristal) donne l’arrangement des atomes dans un cristal. Ces atomes se répètent périodiquement dans l’espace sous l’action des opérations de symétrie du groupe d’espace et forment ainsi la structure cristalline.
Quels sont les trois paramètres qui permettent de définir un cristal ?
Les paramètres cristallins, aussi appelés paramètres de maille, sont des grandeurs utilisées pour décrire la maille d’un cristal. On distingue trois longueurs (a, b, c) et trois angles (α, β, γ) qui déterminent entièrement le parallélépipède qu’est la maille, élémentaire ou multiple.
Où se trouvent les cristaux ?
Les cristaux sont très présents dans notre quotidien : sel, neige, gemmes… Ils sont composés d’unités structurales organisées en un réseau ordonné et périodique à partir d’un motif élémentaire appelé maille.
Qu’est-ce qu’un cristal définition simple ?
1. Solide dont la structure atomique est ordonnée et périodique dans les trois directions de l’espace. 2. Verre contenant une proportion importante d’oxyde de plomb, qui se distingue des autres verres par une plus grande densité, un indice de réfraction supérieur ainsi que par son éclat, sa limpidité et sa sonorité.
Comment différencier les cristaux ?
Reconnaître du cristal en pratique
Faites le test vous-même, au contact d’un rayon de soleil, le cristal va décomposer le spectre de la lumière à la manière d’un arc-en-ciel. De plus, le cristal est plus facile à polir, augmentant encore sa réfraction à la lumière. Le cristal est d’une clarté absolue.
Quelle différence entre minéraux et cristaux ?
Un cristal n’est pas un minéral. Certains minéraux sont cristallisés, d’autres non. Essayons d’y voir clair ! Un minéral est une substance inorganique, à quelques exceptions près (oxalate, citrate), définie par sa composition chimique et l’agencement de ses atomes selon une périodicité et une symétrie précises.
Comment Etudier les cristaux ?
Les cristaux ont des propriétés comme la multiplicité de leur maille, leur masse volumique et leur compacité. Pour les étudier, il convient de se placer dans le modèle des sphères dures, dans lequel les entités chimiques (les atomes notamment) sont considérées comme des sphères non déformables.
Comment se forment les cristaux dans un magma ?
Les cristaux se forment soit par refroidissement des minéraux en fusion, ou magmas, des minéraux à l’état gazeux ou fumerolles (minéraux formés à hautes températures); soit à partir de solutions hydrothermales (minéraux de basses températures).
Comment on fait des cristaux ?
Avec l’aide d’un adulte, fais bouillir un demi-litre d’eau dans une casserole. Après avoir éteint le feu, ajoute 100 grammes de sel1. Mélange avec une cuillère en bois pour dissoudre la totalité du sel. Si tu veux obtenir des cristaux colorés, rajoute quelques gouttes de colorant alimentaire (en option).
Comment se forme un cristal de roche ?
Le cristal de roche ou quartz hyalin se forme à l’intérieur des fissures des roches granitiques. En effet, la cristallisation intervient après le passage ou la circulation de l’eau dans les profondeurs de ces roches.
Comment expliquer la cristallisation ?
La cristallisation est le procédé consistant à disposer des atomes ou des molécules pour qu’ils forment un réseau cristallin rigide et bien délimité afin de minimiser leur état énergétique.
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Les édifices ordonnés : les cristaux : cours 1re –
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La formation et la structure d’un cristal
Caractérisation du type cristallin
Qu’est-ce qu’un cristal? | Parlons sciences
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Qu’est-ce qu’un cristal
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Point scientifique – cristallisation
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Les différents types de cristaux
Les solides ioniques
Les solides moléculaires
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Historique[modifier modifier le code]
Cristallisation[modifier modifier le code]
Notes et références[modifier modifier le code]
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Des édifices ordonnés : les cristaux – 1ère – Cours Enseignement scientifique – Kartable
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Sommaire
Les cristaux dans l’environnement et leur formation
La structure du cristal
Les propriétés des cristaux
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Les édifices ordonnés : les cristaux : cours 1re –
Introduction : Les atomes sont capables de s’organiser en molécules, comme c’est le cas dans un milieu liquide ou gazeux. Cependant, lorsque le milieu change et devient solide, certains atomes peuvent s’organiser sous une autre forme : le cristal.
Cet état cristallin est très répandu dans la matière nous environnant, comme par exemple les minéraux, les roches, les pierres précieuses, la neige ou encore le silicium pour les panneaux photovoltaïques. Afin de mieux comprendre l’organisation des atomes au sein des cristaux et leur lien avec les structures géologiques ou biologiques, nous étudierons d’abord l’origine et la structure d’un cristal à partir de l’exemple du chlorure de sodium.
Ensuite nous détaillerons les caractéristiques propres aux différents types de cristaux, ainsi que les facteurs influençant leurs structures.
La formation et la structure d’un cristal
Ici, nous prendrons l’exemple d’un cristal connu et naturellement présent sur Terre : le chlorure de sodium, à savoir le sel.
Formation d’un cristal
Le chlorure de sodium, de formule chimique NaCl \text{NaCl} NaCl, est constitué d’ions sodium ( Na + \text{Na}^+ Na+) et d’ions chlorure ( Cl − \text{Cl}^- Cl−).
Ces ions sont présents en grande quantité dans l’eau de mer sous forme solvatée (dissouts), c’est-à-dire que chaque ion est entouré de plusieurs molécules d’eau.
Lorsque l’eau s’évapore naturellement, les ions sodium et les ions chlorure se retrouvent isolés.
Or, comme ils possèdent une charge électrique opposée, ils vont alors subir une attraction et s’associer dans un nouvel édifice pour maintenir la neutralité électrique, neutralité primordiale pour une stabilité dans le temps. C’est la cristallisation.
La structure de cet édifice cristallisé est directement liée à la charge électrique de chacun des ions.
Définition Cristallisation : Phénomène par lequel des substances dans des états désordonnés (qu’elles soient gazeuses ou dissoutes dans un liquide) passent à un état solide ordonné avec des formes géométriques déterminées.
Structure d’un cristal
Dans notre cas, l’ion sodium possède une charge électrique positive ( Na + \text{Na}^+ Na+) et l’ion chlorure une charge électrique négative ( Cl − \text{Cl}^- Cl−).
L’édifice chimique créé lors de l’évaporation de l’eau devra donc comporter autant d’ions de chaque sorte.
La stabilité de cet édifice est assurée par une organisation permettant d’équilibrer les forces répulsives entre les ions de même charge et les forces attractives entre les ions de charges opposées. Ainsi, les charges de signes opposées sont maintenues à la distance la plus éloignées possible les unes des autres.
Pour respecter ces conditions, et compte tenu de la différence de taille des ions (les ions chlorure sont plus gros que les ions sodium), on obtient un empilement symétrique de ce type :
Un cristal a une structure tridimensionnelle : en reproduisant le même motif pour chacune des trois dimensions, on obtient une structure de forme cubique avec un empilement régulier des ions.
On observe alors qu’il est possible de trouver un motif qui se reproduit identique à lui-même sur la totalité du cristal : il s’agit de la maille de la structure cristalline du chlorure de sodium.
Définition Maille : On appelle « maille » le motif élémentaire au sein d’une structure cristalline et « nœuds » les angles de la maille.
À retenir Au niveau structural, un cristal est donc un empilement tridimensionnel de mailles identiques.
On constate que la forme géométrique du cristal (niveau macroscopique) est une conséquence directe de la forme géométrique de la maille (niveau microscopique).
La détermination de motif élémentaire va donc être essentielle pour établir le type cristallin d’une roche par exemple.
Caractérisation du type cristallin
Si les cristaux ont une structure bien précise, ils ne revêtent pas tous la même forme géométrique (cube, prisme hexagonal, pyramide…).
De plus, dans une même forme géométrique, les éléments peuvent avoir des positionnements différents.
Le type cristallin
À retenir Pour déterminer le type cristallin, il faut déterminer la forme géométrique de la maille et la position des éléments constituants cette maille.
Les cristaux les plus simples possèdent une maille cubique.
Dans le cas d’une maille cubique simple, les éléments se situent à chaque angle du cube.
Dans le cas d’une maille cubique centrée, les éléments se situent à chaque angle et au centre du cube.
Dans le cas d’une maille cubique à faces centrées, les éléments se situent à chaque angle et au centre de chacune des 6 faces du cube.
Ces trois mailles cubiques ne comportent pas le même nombre d’éléments par maille, ce qui va avoir une incidence sur la masse volumique du cristal formé.
Définition Masse volumique : La masse volumique correspond à la masse d’un corps pour un volume donné.
Une masse volumique s’exprime en général en kg.m − 3 \text{kg.m}^{-3} kg.m−3.
Par exemple si l’on pèse 1 m 3 1\,\text m^3 1m3 d’eau pure, on obtient 1 000 kg 1\,000\,\text{kg} 1000kg, soit une masse volumique de 1 000 kg.m − 3 1\,000\,\text{kg.m}^{-3} 1000kg.m−3. Si l’on pèse 1 m 3 1\,\text m^3 1m3 d’eau de mer, on obtient 1 025 kg 1\,025\,\text{kg} 1025kg, soit une masse volumique de 1 025 kg.m − 3 1\,025\,\text{kg.m}^{-3} 1025kg.m−3.
Pour dénombrer les éléments contenus dans chacune des mailles, il faut tout d’abord avoir en tête qu’une maille n’est qu’un élément d’un réseau cristallin.
Les éléments peuvent appartenir à plusieurs mailles, comme montré ci-dessus, donc on ne va compter qu’une portion d’élément ( 1 / 8 e 1/8^e 1/8e ici) pour une maille.
Ainsi, les éléments se trouvant sur un nœud vont compter pour 1 / 8 e 1/8^e 1/8e, ceux se trouvant au milieu d’une face pour un demi, et ceux situés au centre pour 1.
TYPE DE MAILLE ET COMPACITÉ
Maille Nombre d’éléments Compacité Cubique simple 8 × 1 8 ≡ 1 8\times\dfrac{1}{8}\equiv1 8 × 8 1 ≡ 1 0,52 (soit 52 %, et donc 48 % de vide) Cubique centrée 8 × 1 8 + 1 ≡ 2 8\times\dfrac{1}{8}\,+\,1\equiv2 8 × 8 1 + 1 ≡ 2 0,68 (soit 68 %, et donc 32 % de vide) Cubique face centrée 8 × 1 8 + 6 × 1 2 ≡ 4 8\times\dfrac{1}{8}\,+\,6\times\dfrac{1}{2}\equiv4 8 × 8 1 + 6 × 2 1 ≡ 4 0,74 (soit 74 %, et donc 26 % de vide)
À retenir Le type de maille a donc une influence sur la compacité du cristal et par conséquence sur sa masse volumique.
Définition Compacité : La compacité correspond au taux d’occupation réelle de l’espace de la maille par les éléments la constituant.
Astuce Pour calculer la compacité, on tient compte du fait que seuls les éléments des diagonales se touchent et l’on se sert des formules de calculs de volume d’un cube (forme de la maille) et d’une sphère (volume occupé par la sphère).
Facteurs de l’organisation au sein d’un cristal
Un même composé chimique peut former des cristaux de tailles et de structures différentes.
Pour expliquer la taille des cristaux, reprenons l’exemple du chlorure de sodium, au départ en solution aqueuse.
Si l’eau se vaporise suite à une modification de température ou de pression, alors on atteint le point de saturation, c’est-à-dire qu’il n’y a plus assez de molécules d’eau pour entourer tous les ions, et les premiers cristaux peuvent apparaître.
Ensuite, en fonction de la vitesse de vaporisation, deux phénomènes entrent en concurrence : la croissance des cristaux déjà formés et la naissance de nouveaux cristaux.
Plus la vitesse de vaporisation est grande, plus la taille des cristaux est petite. En généralisant, on peut dire plus la vitesse de modification des conditions physiques est importante, plus la taille des cristaux sera petite.
Pour expliquer les différences de structure cristalline, il faut davantage se référer aux conditions chimiques.
En effet, à la surface du cristal en formation, il y a des interactions avec le milieu « de croissance ». En effet, ce milieu (l’eau par exemple lorsqu’il s’agit de croissance naturelle) peut varier d’un endroit à un autre. La présence d’autres ions, ou encore la valeur du pH, modifie la distance entre chacun des ions dans la solution et donc leurs interactions.
Ces paramètres ont ainsi une influence sur la structure du cristal (maille différente).
À retenir Les conditions physiques (la température, la vitesse de cristallisation ou encore la pression) et les conditions chimiques (espèces en solution, nature du solvant ou bien le pH) contribuent à expliquer les différentes formes cristallines pour un même composé.
Cristaux, minéraux et organismes biologiques
La plupart des minéraux sont cristallisés.
Définition Minéral : Un minéral se caractérise par sa composition chimique (formule chimique précise) et par sa structure cristalline.
Comme nous l’avons évoqué ci-dessus, un même composé chimique peut cristalliser selon des structures cristallines différentes et ainsi donner des minéraux différents.
Le carbone donne par exemple le diamant avec un système cristallin cubique à faces centrées ou encore le graphite avec un système cristallin hexagonal.
Dans les entrailles de la terre, les composés chimiques subissent des modifications de pression et de température notamment. Ils vont ainsi cristalliser et donner naissance à des minéraux qui vont par la suite se trouver associés au sein d’entités plus grosses : les roches, comme les basaltes ou les granites par exemple.
À retenir Une roche peut contenir un ou plusieurs types de minéraux.
Certains solides ne présentent pas une structure ordonnée (cristalline). C’est le cas des verres par exemple.
Pour ces solides dit amorphes, l’empilement des entités chimiques se fait de manière aléatoire sans motif élémentaire à l’échelle macroscopique.
Lors du refroidissement très rapide de la lave, les constituants n’ont pas le temps de s’organiser dans l’espace pour former des cristaux, ils vont alors former un solide amorphe.
Les structures cristallines, très présentes dans le monde minéral, existent également dans certains organismes biologiques.
Ainsi le squelette des vertébrés est constitué à partir d’une structure cristalline de phosphate de calcium ou de carbonate de calcium, tout comme la coquille des œufs.
Pour parler de choses moins agréable, la cristallisation de composés dissous dans les urines est aussi responsable de la formation de calculs rénaux.
Qu’est-ce qu’un cristal?
AB Chimie 20 (2008, Révision 2014) 11 Unité A: La diversité de la matière et les liaisons chimiques
AB Connaissances et employabilité Sciences 10-4 (2007) 10 Unité A : Investiguer les propriétés de la matière
AB Connaissances et employabilité Sciences 20-4 (2007) 11 Unité A: Les applications de la matière et les transformations chimiques
AB Connaissances et employabilité Sciences, 8e et 9e années (2007) 9 Unité B: Composition et modification chimique
AB Sciences 10 (2005, Révision 2014) 10 Unité A: Énergie, matière et transformations chimiques
AB Sciences 14 (2004, Révision 2014) 10 Unité A: Étude des propriétés de la matière
AB Sciences 7e, 8e et 9e années Programme d’études (Révision 2014) 7 Unité E: La Terre
AB Sciences 7e, 8e et 9e années Programme d’études (Révision 2014) 9 Unité B: Composition et modification chimique
BC Chimie 11 (Août 2018) 11 Grandes idée: Les atomes et lesmolécules sont les éléments constituants de la matière.
BC Sciences de la Terre 11 (Août 2018) 11 Grandes idée: Les matériaux constitutifs de laTerre circulent dans la géosphèreoù ils se transforment. Notreutilisation de ces ressourcesnaturelles a des répercussionséconomiques et environnementales.
BC Géologie 12 (Août 2018) 12 Grandes idée: Les minéraux, les roches et les matériaux constitutifs de la Terre sont formés sous l’action des conditions particulières de l’intérieur et de la surface de la Terre; ces ressources sont à la base de plusieurs industries primaires.
BC Sciences 7 (2015) 7 Grandes idée: Les éléments sont formés d’une seule sorte d’atome et les composés sont constitués d’atomes différents liés ensemble chimiquement.
MB Chimie, 11e année (2015) 11 Regroupement 3: Les réactions chimiques
MB Sciences de la nature, 7e année (2002) 7 Regroupement 4: La croûte terrestre
MB Sciences de la nature, secondaire 2 (2005) 10 Regroupement 2: Les réactions chimiques
NB Chemistry 111/112 (2009) (anglais seulement) 11 Unit 1: From Structures to Properties
NB Physical Geography 110 (anglais seulement) 11 9. From Continental Drift to Plate Tectonics
NB Sciences 10e année – 50211/50212 (2011) 10 Les processus chimiques
NL Chimie 2232 (draft 2018) 11 La stœchiométrie
NL Chimie 2232 (draft 2018) 11 Des structures aux propriétés
NL Earth Systems 3209 (nd) (anglais seulement) 12 Unit 3: Earth Materials
NL Earth Systems 3209 (nd) (anglais seulement) 12 Unit 5: Earth resources: Real-life applications
NL Environmental Science 3205 (revised 2010) (anglais seulement) 12 Unit 3: Land use and the Environment
NL Sciences de la nature 9e année (2010) 9 Module 1: Les atomes, les éléments et les composé
NL Sciences 1236 (draft 2018) 10 Module 2 : Les réactions chimiques
NL Science 3200 (2005) (anglais seulement) 12 Unit 1: Chemical Reactions
NL Sciences de la nature 7e année (2010) 7 Module 4 : La croute terrestre
NS Chimie 11 – Chimie avancée 11 (2002) 11 Module 1 : Des structures aux propriétés
NS Géologie 12 (2009) 12 Les matières de la Terre
NS Géologie 12 (2009) 12 La nature de la géologieLa géologie environnementale
NS Sciences 10 (2002) 10 Module 2 : Les réactions chimiques
NT Chimie 20 (Alberta, 2008, Révision 2014) 11 Unité A: La diversité de la matière et les liaisons chimiques
NT Experiential Science 10 – Terrestrial Systems (anglais seulement) 10 Unit 1: Geology and Geomorphology (anglais seulement)
NT Connaissances et employabilité Sciences, 10-4, 20-4 (Alberta, 2007) 10 Unité A : Investiguer les propriétés de la matière
NT Connaissances et employabilité Sciences 20-4 (Alberta, 2007) 11 Unité A: Les applications de la matière et les transformations chimiques
NT Connaissances et employabilité Sciences, 9e années (Alberta, 2007) 9 Unité B: Composition et modification chimique
NT Sciences 10 (Alberta, 2005, Révision 2014) 10 Unité A: Énergie, matière et transformations chimiques
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NT Sciences 9e années Programme d’études (Alberta, Révision 2014) 9 Unité B: Composition et modification chimique
NU Chimie 20 (Alberta, 2008, Révision 2014) 11 Unité A: La diversité de la matière et les liaisons chimiques
NU Experiential Science 10 – Terrestrial Systems (anglais seulement) 10 Unit 1: Geology and Geomorphology
NU Connaissances et employabilité Sciences, 10-4, 20-4 (Alberta, 2007) 10 Unité A : Investiguer les propriétés de la matière
NU Connaissances et employabilité Sciences 20-4 (Alberta, 2007) 11 Unité A: Les applications de la matière et les transformations chimiques
NU Connaissances et employabilité Sciences, 9e années (Alberta, 2007) 9 Unité B: Composition et modification chimique
NU Sciences 10 (Alberta, 2005, Révision 2014) 10 Unité A: Énergie, matière et transformations chimiques
NU Sciences 14-24 (Alberta, 2004, Révision 2014) 10 Unité A: Étude des propriétés de la matière
NU Sciences 7e années Programme d’études (Alberta, Révision 2014) 7 Unité E: La Terre
NU Sciences 9e années Programme d’études (Alberta, Révision 2014) 9 Unité B: Composition et modification chimique
ON Chimie, 11e année, cours préuniversitaire (SCH3U) 11 B: Matière et liaisons chimiques
ON Sciences de la Terre et de l’espace,12e année, cours préuniversitaire (SES4U) (2008) 12 C: Matériaux géologiques
ON Sciences de l’environnement,11e année, cours préemploi (SVN3E) (2008) 11 E: Conservation de l’énergie
ON Sciences SNC2D 10e année, cours théorique (2008) 10 C: Réactions chimiques
ON Sciences SNC2P 10e année, cours appliqué 10 C: Réactions chimiques
PE Science 421M (2003) 10 Les réactions chimiques
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SK Chimie 30 (2019) 12 Équilibre chimique
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YT Géologie 12 (Colombie britannique, Août 2018) 12 Grandes idée: Les minéraux, les roches et les matériaux constitutifs de la Terre sont formés sous l’action des conditions particulières de l’intérieur et de la surface de la Terre; ces ressources sont à la base de plusieurs industries primaires.
Cristal — Wikipédia
Cristaux de sel obtenus par cristallisation lente dans une saumure à température ambiante.
Un cristal est un solide dont les constituants (atomes, molécules ou ions) sont assemblés de manière régulière[1], par opposition au solide amorphe[1]. Par « régulier » on veut généralement dire qu’un même motif est répété à l’identique un grand nombre de fois selon un réseau régulier, la plus petite partie du réseau permettant de recomposer l’empilement étant appelée une « maille ».
Les cristaux les plus communs sont la neige, le sucre, les sels, les silicates, les oxydes, les sulfures, les métaux et les pierres précieuses (gemmes).
On appelle « phénocristal » ou « monocristal » un cristal de taille telle qu’il est visible à l’œil nu. La plupart des solides cristallisés sont polycristallins, c’est-à-dire qu’ils sont composés de plusieurs microcristaux accolés (ou cristallites). Un monocristal dont l’une des dimensions est inférieure à 100 nm est une nanoparticule aussi appelée « nanocristal ». Il arrive que cette dimension soit réduite à une seule couche d’atomes, par exemple avec le graphène.
Un cristal idéal ne comporte pas de défauts cristallins, mais les cristaux réels sont loin de cette perfection. Au-delà d’une certaine concentration des défauts, le concept de structure cristalline cesse d’être utile et l’on considère que c’est un matériau amorphe tel que le verre. L’état amorphe s’apparente fortement à l’état liquide mais il existe aussi des cristaux liquides.
Selon l’Union internationale de cristallographie, tout solide dont le diffractogramme est essentiellement discret est un cristal. Sur la base d’une propriété structurelle essentielle, cette définition englobe les cristaux classiques mais aussi les quasi-cristaux. Les propriétés des cristaux s’expliquent par leur composition atomique et l’arrangement spatial des atomes qui le constituent.
L’émerveillement procuré par les cristaux est loin d’être récent. Déjà les Égyptiens connaissaient la turquoise et les gemmes (diamant, saphir, émeraude, rubis) étaient très appréciés dans l’Antiquité. Strabon invente le mot Krystallos pour désigner le quartz[2]. Il est évident que les cristaux ont toujours fasciné tant par leur aspect translucide et coloré que par leur forme facettée. Ces deux aspects sont intimement liés aux propriétés physiques propres aux cristaux et au fait qu’ils soient ordonnés. Cependant cet ordre est resté fort longtemps incompris. L’histoire de la cristallographie s’étale principalement sur deux siècles ( XIXe et XXe siècles).
À partir de la fin du XVIIIe siècle, l’approche que l’on a du monde des cristaux est d’ordre purement géométrique, inspirée en cela par l’extrême rigidité du monde minéral. Domaine réservé tout d’abord aux naturalistes, la cristallographie prend son envol en France essentiellement au cours des XIXe et XXe siècles et est marquée principalement par trois figures : Jean-Baptiste Romé de l’Isle, René Just Haüy et Auguste Bravais.
La science classique des cristaux [ modifier | modifier le code ]
Romé de l’Isle, en reprenant les travaux de Sténon, remarque en 1772 que, bien que les faces des cristaux soient en général de tailles différentes du fait même de leur croissance, deux faces adjacentes forment toujours entre elles des angles égaux. Cette loi tout à fait générale ouvre la voie à une description unique de l’ensemble des cristaux en termes purement géométriques. Cependant il n’arrive pas à déterminer l’ensemble des formes à partir de ce principe unique.
Construction de Haüy.
L’abbé René Just Haüy réalise le bond en avant, par une découverte fortuite. En faisant tomber un cristal de calcite, il découvre qu’en se brisant, les fragments de tailles différentes présentent toujours le même caractère de facette que le cristal d’origine. Haüy en déduit que le cristal d’origine peut être décrit par un empilement de « molécules » semblables, qu’il nomme « molécule intégrante ». Ces dernières, de forme parallélépipédique, s’emboîtent parfaitement pour constituer un solide homogène. D’après ce principe, la forme d’un cristal dépend du nombre d’éléments qui le composent, de sorte que les faces du cristal sont formées de minuscules gradins. En effectuant ainsi ce qu’il appelle le « décroissement égal sur tous les sommets », qui consiste simplement à enlever des parallélépipèdes en nombre décroissant à partir des sommets ou d’une arête de la forme complète, il explique un grand nombre de formes naturelles (par exemple à partir d’un cube, on peut par décroissement à partir des sommets obtenir une morphologie octaédrique, comme celle de la fluorine). Il retrouve ainsi la loi de Romé de L’Isle sur la constance des angles, puisque dans un empilement les angles sont conservés ; et explique du même coup la notion de clivage.
Son travail ne s’arrête pas là puisqu’il trouve de façon mathématique que beaucoup de formes idéalisées peuvent être décrites par trois types de parallélépipèdes, dits « primitifs ». Du même coup, il montre l’impossibilité de construire un cristal avec des prismes pentagonaux, octogonaux. Gabriel Delafosse, élève d’Haüy, remplace le terme de « molécule intégrante » par celui de « maille élémentaire », terme qui passera à la postérité. Cependant, les déductions d’Haüy ne sont pas complètes pour décrire l’ensemble des structures cristallographiques. Ceci nous amène à la définition du cristal, plus précisément du réseau cristallin, comme étant la répétition d’une maille élémentaire dans les trois directions de l’espace, avec la notion de pavage : un cristal est un objet périodique.
Les travaux d’Haüy sont repris par Weiss, lequel recense les faces d’un cristal par rapport à des éléments de symétrie. Ce principe très important en physique guide toute la cristallographie. Ainsi, pour passer d’une face à l’autre, il est possible d’appliquer une opération de symétrie qui peut être une rotation, une inversion par rapport à un centre.
En 1848, Auguste Bravais publie une étude purement mathématique sur la classification des cristaux. Il décrit l’ensemble des structures possédant des symétries d’orientation compatibles avec la triple périodicité des cristaux dans les trois directions de l’espace (symétrie de translation). Il trouve ainsi 32 classes de symétrie réparties en 14 types de réseaux, les réseaux de Bravais que l’on peut regrouper en 7 systèmes définissant la forme de la maille élémentaire. Cette analyse affirme simplement que l’on ne peut disposer les points d’un réseau de façon arbitraire. Prenons le cas plus simple d’un réseau de surface plane (les résultats se généralisent à 3D).
Réseau + motif = cristal.
L’ère purement géométrique venait de finir, elle avait permis la classification exhaustive de l’ensemble des structures, reste à savoir ce qu’était véritablement une structure réelle. En cette fin de XIXe siècle, la physique est en ébullition tant le concept d’atome bouleverse les règles établies. La théorie atomiste naissante est en partie bâtie à partir des conclusions fournies par la cristallographie. Gabriel Delafosse, en introduisant le concept de maille, avait déjà pressenti que l’on pouvait dissocier organisation et composant élémentaire : le cristal peut être décrit par une maille élémentaire associée à un motif atomique.
La découverte de la nature réticulaire des cristaux, c’est-à-dire le fait que l’on puisse décrire les structures comme un ensemble de familles de plans (un empilement de couches d’atomes), chaque plan d’une même famille étant séparé d’une distance constante, la distance interréticulaire, a des conséquences importantes. Elle est due à Max von Laue[Note 1] qui découvre que les rayons X sont diffractés par la matière cristalline. Ce phénomène a lieu lorsque la taille de la fente par laquelle on fait traverser un rayonnement est de l’ordre de la longueur d’onde. Pour un cristal, la distance entre deux plans est de l’ordre de la distance entre atomes, c’est-à-dire 1/10 de milliardième de mètre[3]. Dans ce cas pour obtenir le phénomène de diffraction, il faut un rayonnement dont la longueur d’onde est très courte. Cette condition est réalisée par les rayons X, qui permettent de sonder la matière. En particulier lorsqu’on éclaire un cristal dans une orientation particulière, le rayonnement n’est diffracté que dans des directions spécifiques : on obtient des clichés dits « de diffraction », un réseau de taches qui a les mêmes symétries que le cristal.
Maille du chlorure de sodium : un ion chlorure (vert) et un ion sodium (bleu) forment le motif élémentaire qui se retrouve aux sommets et aux centres des faces d’un cube.
Le travail de caractérisation des structures cristallines est alors engagé par William Lawrence Bragg, aidé par son père Sir William Henry Bragg (découverte pour laquelle ils reçurent le prix Nobel en 1915) et se développe avec un grand succès.
Il est ainsi possible d’identifier un grand nombre de structures. Par exemple, les métaux cristallisent sont identifiés selon trois types de réseaux : cubique centré (fer, chrome), cubique à faces centrées (aluminium, cuivre), et hexagonal compact (zinc, titane). D’autres structures cristallisent aussi. C’est par exemple les protéines, les virus. L’exemple le plus célèbre est celui de la molécule d’ADN, constituant élémentaire de nos cellules. En 1953, Crick et Watson découvrent la structure en double hélice de cette molécule grâce à l’analyse des clichés de diffraction réalisés dans l’ombre par R. Franklin de la molécule cristallisée.
Le sel de mer est lui aussi un cristal : celui de chlorure de sodium (NaCl) qui cristallise selon un réseau cubique à faces centrées. Dans ce cas, on comprend mieux la notion de maille et de motif se répétant dans la maille.
La science contemporaine des cristaux [ modifier | modifier le code ]
Au début des années 1980, travaillant sur un alliage d’aluminium et de manganèse rapidement solidifié, Dan Shechtman obtient un spécimen cristallin qui présente un cliché de diffraction très particulier. Le cliché est très net, ce qui indique une structure cristalline, mais il présente une symétrie pentagonale qui est impossible selon la théorie établie. Différentes explications sont avancées mais bientôt il faut se rendre à l’évidence : une nouvelle variété de cristaux a été découverte. Ce sont les quasi-cristaux. Trois autres chercheurs, Ilan Blech, John-Werner Cahn et Denis Gratias, ont signé avec Schechtman l’article fondateur, paru en 1984[4]. Cette publication signale le début d’une véritable révolution scientifique : d’abord une controverse, bientôt suivie pat un renversement d’opinion, et la découverte rétrospective des cas occultés auparavant. Les cristaux classiques et bien connus sont depuis considérés comme un cas particulier : ce sont des cristaux périodiques. les cristaux apériodiques sont dans une autre catégorie, qui inclut les cristaux incommensurables reconnus avant la découverte de ceux qu’on appelait « quasi-cristaux ». Au début des années 1990, l’Union internationale de cristallographie a adopté une nouvelle définition de son objet principal, le cristal. Ainsi, on admet maintenant que la périodicité est une composante suffisante mais non nécessaire à l’ordre cristallin.
Cristaux, principalement de sucre, vus au microscope, obtenus en faisant sécher du Coca-Cola
Un cristal se forme si la température d’une coulée descend assez lentement sous le point de fusion et que le mouvement thermique des différents atomes atteint une valeur si faible que les connexions réciproques ne peuvent plus être fracturées par des oscillations – on vient en formation d’un treillis uniforme qui est marqué par un ordre à distance. Ce treillis uniforme a une plus faible enthalpie libre que le verre amorphe, qui se dispose seulement selon un ordre local (la disposition locale des atomes ne se répète pas régulièrement dans un verre). On qualifie ce processus de cristallisation. Dans les cas où la température d’une coulée descend rapidement, différents phénomènes sont observés et les solides ainsi obtenus peuvent avoir des propriétés bien particulières.
Notes et références [ modifier | modifier le code ]
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