La cristallographie

C’est pour cela que nous avons d’abord préféré de nous documenter sur le sujet pour enfin mettre en pratique les connaissances acquises, pour découvrir ces choses fascinantes d’un peu plus près et toutes les diversités de leurs formes l’abbé RJ Hauy formula l’hypothèse selon laquelle les cristaux sont constitués de petites boîtes « microscopiques » (particules) identiques, en contact parfait entre elles et qui se répètent dans les différentes dimensions de l’espace (phénomène périodique ‘une molécule qui se répète).

En 1850, le professeur A. Bravais (1811-1863) affirma pour la première fois que les cristaux étaient formés de rangées de particules pas directement en contact entre elles, mais séparées par des espaces vides réguliers et se présentant dans la nature avec une structure de réseau. En 1912, Bragg découvre que la diffusion des rayons X par les solides peut permettre de connaitre leur structure. La formation des cristaux A- La formation des cristaux La cristallogenèse est un procédé qui consiste a la formation d’un cristal, soit en milieu naturel, soit de façon synthétique. . une formation naturelle La plupart des cristaux se forment dans la nature ainsi, la cristallisation qui représente le passage d’un état désordonné liquide, gazeux ou solide à un état ordonné solide. Permet au cristal de ce formé.

Cette formation se déroule sous le contrôle de différents facteurs tels que la température, la pression, temps d’évaporation ou encore dans le milieu dans lequel celui-ci se développe en effet l’environnement dans lequel se forment les minéraux modifie leurs caractères initiaux : par exemple si on compare les différentes cristallisations entre le cœur d’un olcan ou le magma est en fusion et une grotte calme avec une température relativement faible. Ainsi en montagne, on peut donc observer dans des fil enifiques formations de le quartz ou la fluorine.

Ces derniers se sont formés lorsque que les conditions de cristallisations étaient optimales. De plus, plus cette cristallisation sera lente et plus les cristaux arboreront une forme géométrique définie. A l’inverse, lorsque celle-ci se déroule rapidement, les espèces chimiques n’ont pas le temps de s’organiser, ainsi le cristal ne prendra pas la forme spécifique attendue. (exemple de ‘alun de potassium qui a cristalliser en 30 min et qui a formé des amas non réguliers photo) 2.

Formation artificielle Le mécanisme de la formation des cristaux Lorsqu’on refroidit un liquide jusqu’à sa température de solidification, celle-ci commence par la formation, au sein du liquide, de germes (phénomène de la nucléation). En un point quelconque du liquide, quelques molécules, atomes ou ions se rassemblent en un arrangement ordonné, sous Heffet des forces de cohésion, et c’est autour de ce germe que le cristal va croitre. Des couches successives viennent s’agréger sur ses faces, et son olume augmente alors que sa forme ne varie pas.

Si le refroidissement est très lent et s’il n’y a pas d’impuretés dans le liquide pouvant jouer le rôle « d’amorce », il peut ne se former qu’un seul germe. On obtient alors un monocristal. II est difficile, cependant, d’obtenir de très gros monocristaux car pendant toute la durée de leur croissance, il faut qu’il ne se forme pas d’autres germes. C’est ainsi que l’on fabrique des pierres précieuses synthétiques (rubis, saphir, zirconium etc. ) et les monocristaux de silicium ou de germanium pour les composants électroniques. lus souvent, surtout si le refroidissement est rapide, il se forme de nombreux perm onne lieu à la formation 30F nombreux germes et chacun donne lieu à la formation d’un cristal. Le solide est alors constitué d’un agglomérat de cristaux, assemblés sans aucune continuité des réseaux, avec des orientations différentes. Cest le cas des roches, ou des métaux refroidis après leur fusion. (Photo sulfate de cuivre Amat) 3. Un cas particulier: la cristallisation de l’eau Lorsque l’eau cristallise, elle forme un cristal assez particulier: le cristal de neige.

Il possède plusieurs formes tel que : la endrite, la plaquette hexagonale, la colonne creuse… L’élément H20 possède aussi une cristallisation très particulière en effet la forme que les cristaux de neige peuvent avoir dépend de la température (par tranches : de O à -50=plaques ; de -10 -200=plaquettes -25 à -350=colonnes ) 4. Les différents types de croissance cristalline Il existe différents types de croissance cristalline à la fois en milieu naturel ou de manière expérimentale, tout dépend du résultat attendu, de l’espèce que l’on veut cristalliser et de la quantité que l’on veut obtenir. OF l,’ iminution de la température de la solution qui provoque la sursaturation. (Plus la baisse de température est lente plus les cristaux seront nettes et bien formés et plus ils seront gros. Dans le deuxième, on provoque la sursaturation par évaporation de l’eau dans la solution. C’est par exemple le cas des marais salants. L’eau de mer, en s’évaporant, devient sursaturée en Na Cl qui finit par cristalliser. En effet les ions se retrouvent alors sans molécules d’eau et donc s’attirent.

Croissance en gels (minéraux peu solubles) : C’est un milieu où la diffusion est plus lente, on n’a jamais de ros cristaux en gels. On commence par fabriquer le gel de silice pour cela il faut mélanger une solution de silicate de sodium avec une solution acide, par exemple HCI. Cette réaction entre ces 2 réactifs va aboutir à un précipité gélatineux insoluble dacide silicique qui emplit tout le récipient où se fait cette expérience. Ce précipité a une formule que l’on considère comme : H2Si03, mais c’est plutôt Si02. xH20, où x n’est pas nécessairement entier.

Une précaution est à prendre : il faut faire bien attention que les ions de silicate est complètement réagit autrement dit que la réaction e déroule dans les proportions stœchiométriques. Une fois ce gel obtenu on le met dans un tube en IJ et on verse chacune des deux espèces à chaque extrémité, les deux espèces vont donc s’infiltrer lentement dans le gel et lorsqu’elles vont se rencontrer, elles formeront un précipiter cristallin. Ce mode de cristallisation est extrêmement long et plus le gel et épais plus le processus de réalisation prend du temps mais il permet d’obtenir de très beaux cristaux.

Croissance en flux (haute température) : C’est un bain fondu. On peut arriver à des cristaux assez gr l,’ n flux (haute température) C’est un bain fondu. On peut arriver à des cristaux assez gros. Cette méthode permet de cristalliser un composé à une température bien inférieure à sa température de fusion ou de transformation par le procédé suivant : le composé à cristalliser est dissout dans un solvant minéral (flux) à haute température, la cristallisation est obtenue par sursaturation progressive du milieu (augmentation du rapport de concentration soluté solvant) Croissance hydrothermale (par H20) précédente.

Prenons l’exemple du quartz, il se dissout dans l’eau qu’à des empératures comprises entre 3000C et 4000C et à des pressions comprises entre 300 000 et 500 000 hPa, soit entre 300 et 500 fois la pression atmosphérique normale. Seules des enceintes (autoclaves) permettent d’atteindre de telles conditions.

Cette technique s’appelle la dissolution hydrothermale car les conditions décrites ci-dessus sont atteintes grâce à un fluide hydrothermal (où l’eau est plus chaude dans la partie basse que dans la partie haute de l’autoclave). Ce sont des croissances à températures et pressions élevées. Conditions TO>3200C et pressions>2000bars. La croissance du diamant est réalisée suivant ce type de croissance. Nous verrons ses conditions de fabrication et de structure différente avec le carbone graphite.

Enfin il faut rappeler que toutes les espèces chimiques ont trois états : -solides (particules compactes et ordonnées) -liquides (particules compactes et désordonnées) -gazeux (particules dispersées et désordonnées) Lors de la cristallisation d’une es èce chimique on cherche la solidification (de l’état liqui ais il ne faut pas oublier 6 OF oublier que si on récupère le produit obtenu (cristal) qui est ‘état solide, on peut parfaitement lui redonner sa forme initiale (liquide) en le chauffant. B- Les différents types de cristaux 1.

Les cristaux moléculaires et ioniques : Le sulfate de cuivre que nous avons étudié, Feau ou le chlorure de sodium, sont des cristaux moléculaires et ioniques dont la cohésion est due à des interactions électrostatiques entre les molécules ou ions du cristal. un Cristal moléculaire est formé par l’empilement régulier et périodique de molécules dont la cohésion est assurée par des forces d’attraction de faible intensité (des liaisons hydrogène, es interactions électrostatiques entre dipôles : Van der Waals et des forces de dispersion).

Celles-ci relativement peu intense confèrent aux cristaux une faible stabilité les cristaux moléculaire ont donc des températures de fusion très basses Un cristal ionique est constitué d’un empilement compact régulier d’anions et de cations en nombre tel que la neutralité électrique du cristal soit assurée. Il est composé d’ions (chargés) liées par des forces électrostatiques. Un anion est un atome qui a gagné un ou plusieurs électrons. un cation est un atome qui a perdu un ou plusieurs électrons. liaison résulte de l’attraction électrostatique entre les ions de charges opposées qui on acquis la structure du gaz rare le plus proche En effet, un cristal ionique est électriquement neutre et sa formule respecte l’électro neutralité. Ainsi, la formule de la fluorine, cristal ionique constitué d’ions calcium Ca2+ et d’ions fluorures F-, s’écrit Ca2+ + 2F_ CaF2 La cohésion (l’agencement stable d’un cristal ionique s’explique par des interactions électr ions et cations 7 OF s’explique par des interactions électriques entre anions et cations conformément à la loi de Coulomb. Cristaux de chlorure de sodium cuivre 2.

Les cristaux covalents Cristaux de sulfate de Les cristaux covalents sont les plus durs connus avec la plus grande densité, ils sont composés d’atomes non chargés liés par liaisons covalentes où les atomes partagent les électrons extérieurs. Leurs molécules ou atomes résultent d’une mise en commun de 2 électrons de telle sorte que chaque atome complète sa structure électronique à celle du gaz rare le plus proche. Cette liaison est beaucoup plus forte que les interactions électrostatiques. Le meilleur exemple est le Diamant constitué ‘atomes de carbone tous liés, chacun participant à 4 liaisons chimiques avec ses voisins.

Cest le minéral le plus dur connu. Un autre minéral dur dont les molécules cette fois sont liées chimiquement est le Quartz (Si02) Les cristaux covalents sont des cristaux macromoléculaires dans lesquels les nœuds du réseau sont occupés par des atomes ou des groupements d’atomes. cations identiques qui partagent entre eux les électrons extérieurs formant un nuage mobile. C’est ce nuage qui confère la matière les propriétés dites métalliques ou conductrices. Ces cristaux sont constitués par une juxtaposition d’atomes, liés uniquement par les forces électrostatiques de Van der Waals.

Cest une interaction attractive entre les atomes qui assure la cohésion du cristal. Ainsi ces cristaux sont généralement peu durs. Cest entre autre le cas des métaux nobles, qui s’oxydent difficilement et peuvent se trouver à l’état natif. Comme L’Or (Au)ou L’Argent (Ag). Cristaux métalliques TITANE Ces cristaux que nous venons de décrire, ioniques, moléculaires, covalents ou métalliques si différents soit de par leur structure peuvent se former de plusieurs manières et ont tous des ropriétés et des formes qu’ils leur sont propres.