1-2 Des édifices ordonnés : les cristaux (SVT)

 

Livre p30-31-32-33-34-35

 Introduction : observation de cristaux

Grotte de la mine de Naica : il s’agit d’une cavité d’environ 35 m de long sur 20 m de large et 8 m de haut, bourrée de gigantesques cristaux de gypse (sélénite).

Les flocons de neige sont composés de six branches de structure plus ou moins complexe, formant une figure à géométrie hexagonale.

 

A/ Structure cristalline dans les roches magmatiques et sédimentaires

TP Observation microscopique de cristaux

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

Observation en classe de quelques échantillons : basalte, granite, sel (cubique et en bloc), gypse (fer de lance et en bloc), obsidienne, micas, cristaux bleus, silex taillé, os, coquilles, nacre.

Toutes les roches sont constituées d’un assemblage de minéraux. Les minéraux sont définis par leur composition chimique et l’agencement de ses atomes suivant un motif ou maille élémentaire se répétant de façon ordonnée pour former un cristal. Dans la croute terrestre, les silicates constituent 97% des roches dont le squelette est le tétraèdre de silicium et d’oxygènes, SiO4.Il y aussi d’autre roche comme le calcaire qui est du carbonate de calcium ou de magnésium (CaCO3 ou MgCO3).

Livre p36-37 : les cristaux dans les roches

Diaporama : structures cristallines dans des roches magmatiques et sédimentaires

Bilan : Un composé de formule chimique donnée peut cristalliser sous différents types de structures qui ont des propriétés macroscopiques différentes. Ainsi les minéraux se caractérisent par leur composition chimique. Celle-ci conditionne leur maille, donc leur organisation cristalline qui détermine finalement leur forme à l’état solide. On les appelle alors des cristaux.

B/ Des conditions de cristallisation différentes selon la température

TP Cristallisation de la vanilline avec une vidéo montrant les résultats à obtenir

Le refroidissement d’un magma (ensemble de minéraux fondus), s’accompagne de la cristallisation progressive des minéraux.

solide cristallisé, solide amorphe

En fonction de la vitesse de ce refroidissement, la cristallisation va se dérouler
lentement ce qui donne une roche grenue, constituée de gros cristaux, tous jointifs
rapidement et une partie du magma ne va pas cristalliser et donner du verre ce qui donne une roche  roche microlithique, constituée de petits cristaux noyés dans un verre.

Dans le cas des solides amorphes, l’empilement d’entités se fait sans ordre géométrique. C’est le cas du verre. Certaines roches volcaniques contiennent du verre, issu de la solidification très rapide d’une lave.

lame mince de rhyolite au microscope polarisant

 

 

 

 

 

En regardant dans le diaporama les systèmes

clivages

cristallographiques du mica (biotite) et de la halite, expliquer leurs clivages respectifs (compléter le tableau suivant )

minéral

système cristallographique (dessiner la maille)

aspect du clivage

explication

biotite (mica)

     

chlorure de sodium (halite)

     

Pour aller plus loin

Relier la structure cristalline de certains matériaux vus dans le chapitre sur l’albédo à leur propriétés de réflexion de la lumière. Cet article de Pour la Science « Du noir presque parfait » (28/05/2019) revient en particulier sur l’absorption presque totale permise par la structure cristalline du Vantablack.

Dr Nozman ouvre des géodes sur YouTube et il s’amuse bien car il en a fait toute une série.

B/ Les structures cristallines dans les organismes biologiques

On  retrouve aussi de façon très diverse dans le monde du vivant, l’état cristallin que ce soit en tant que squelette interne ou externe (os, coquilles…), que moyens de défense des plantes (raphides…), ou même de dysfonctionnement d’organes (calculs rénaux…). C’est la biominéralisation.

Les animaux, les plantes, les champignons et les bactéries élaborent environ 70 types de biominéraux différents, amorphes ou cristallins, majoritairement à base de calcium, qui jouent des rôles variés dans la structure de l’organisme, la défense, la perception sensorielle ou encore la prise de nourriture.

1. Mise en place du squelette 

Livre page 38 et 39

Les cristaux constituant les squelettes, qu’ils soient externes ou internes, confèrent le plus souvent des propriétés mécaniques aux structures qui les contiennent, et sont ainsi impliqués dans des fonctions de protection et de soutien.

Exemple 1 La nacre

L’huitre perlière, Pinctada margaritifera, construit sa nacre lorsqu’un élément étranger irritant entre dans la coquille de ces mollusques. La nacre est construite couche après couche tout autour afin de s’en protéger, formant ainsi une ou plusieurs perles. Les mollusques élaborent leur coquille en favorisant la précipitation ordonnée de carbonate de calcium (CaCO3). Le carbonate de calcium va précipiter soit sous forme de calcite ou d’aragonite qui adopteront souvent des caractéristiques cristallines spécifiques. 

Calcul : la phase de perliculture nécessaire pour former une couche de nacre est d’environ 18 mois pour obtenir une épaisseur de 0,6 millimètre. Une perle exceptionnelle de 20 mm de diamètre aura mis combien de temps à être élaborée par l’animal ?

La nacre est constituée à 5 % de matière organique et à 95 % de matière minérale : des cristaux d’aragonite de formule CaCO3. La nacre est un assemblage de plaques polygonales d’aragonite empilées telles des briques avec des polysaccharides et des fibres protéiques comme mortier.Elle est construite comme un mur, avec des briques minérales, divisé en colonnes dans lesquelles les cristaux sont organisés selon des directions préférentielles, différentes des colonnes voisines. Ceci permet d’éviter l’app­arition de plans de clivage, à l’origine de frac­tures. La nacre est 3 000 fois plus dure que l’aragonite pure, et présente une très grande rigidité et résistance à la compression.

Exemple 2 Le squelette interne de Homo Sapiens

La partie externe de l’os, appelée os cortical, est un tissu osseux compact capable de supporter de fortes pressions. Il est constitué d’unités cylindriques, les ostéons, formés de lamelles concentriques dans lesquelles se situent les ostéocytes,, les cellules du tissu osseux. Entre ces cellules, les lamelles sont constituées de fibrilles .de collagène (protéine fibreuse) et de matière minérale, les cristaux  d’hydroxyapatite. Le collagène est sécrété par les ostéocytes.

Bilan de l’analyse des documents 7 et 8

La densité minérale osseuse (DMO) évolue au cours de la vie :

  • Jusqu’à l’âge de 20 ans, la DMO augmente : on passe d’une densité de 0.8 à 1.2 g/cm2. Il y a donc plus de cristaux d’hydroxyapatite qui se mettent en place au cours de la croissance. 
  • De 20 à 50 ans, la DMO stagne puis diminue fortement après 50 ans. On passe de 1.2 g/cm2 à 1 g/cm2 pour les hommes et de 1.2 g/cm2 à 0.6 g/cm2 pour les femmes. La quantité de cristaux d’hydroxyapatite diminue donc dans les os à partir de 50 ans.  Les femmes sont donc plus vulnérables à la perte de cristaux d’hydroxyapatite à partir de la ménopause.

Le document 8 montre que le taux de fracture est important pour les personnes ayant un T-score de -2.5 : on a 40 fractures pour 1000 personnes.  On comprend alors que la solidité des os dépend de la densité osseuse :

  • si les os sont riches en cristaux d’hydroxyapatite alors il y aura moins de fracture
  • si les os sont pauvres en cristaux d’hydroxyapatite alors il y aura plus de fracture

Conclusion : On peut donc faire le lien entre la présence de cristaux et la résistance mécanique du squelette osseux. L’arrangement spatial des cristaux confère des propriétés de rigidité et de résistance à la compression. Ces propriétés sont impliquées dans le rôle de protection des squelettes.

2.Étude d’un exemple : les calculs rénaux

Chez l’être humain, comme chez la plante, le calcium peut être associé à de l’oxalate au lieu du carbonate. Si chez la plante, les cristaux ont une forme d’aiguille permettant une défense contre les herbivores, chez l’Homme cela correspond à une pathologie appelée calculs, liée à une hypercalciurie. Source http://beaussier.mayans.free.fr/spip.php?rubrique264

Les calculs rénaux sont de petites pierres formées d’acides et de sels minéraux qui se trouvent dans les reins.

Normalement, ces substances sont diluées dans l’urine. Toutefois, lorsque l’urine est concentrée, les minéraux peuvent se transformer en cristaux solides et former un calcul.

 

 

Pour aller plus loin

 

Livre p 38-39

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Les cristaux produits par les êtres vivants (ici des algues unicellulaires appelées Diatomées) peuvent conférer des propriétés particulières aux dépôts sédimentaires (ici, la diatomite) issus de ces êtres vivants : Une roche peu connue aux usages insoupçonnés : la diatomite (25/11/2019) et une vidéo « Le verre des diatomées » (5′)

exercice 6p44 : Les nano-cristaux des caméléons

Livre p45 : la densité de la glace (en lien avec l’organisation moléculaire des solides/liquides/gaz)


L’organisation moléculaire étant déjà connue, ce thème aborde une autre forme d’organisation de la matière : l’état cristallin (qui revêt une importance majeure, tant pour la connaissance de la nature – minéraux et roches, squelettes, etc. – que pour ses applications techniques). La compréhension de cette organisation au travers des exemples choisis mobilise des connaissances sur la géométrie du cube. Elle fournit l’occasion de développer des compétences de représentation dans l’espace et de calculs de volumes.

Savoir fait en physique  : Le chlorure de sodium solide (présent dans les roches, ou issu de l’évaporation de l’eau de mer) est constitué d’un empilement régulier périodique (état cristallin) d’ions. Plus généralement, une structure cristalline est définie par une maille élémentaire répétée périodiquement. Un type cristallin est défini par la forme géométrique de la maille, la nature et la position dans cette maille des entités qui le constituent.
Les cristaux les plus simples peuvent être décrits par une maille cubique que la géométrie du cube permet de caractériser. La position des entités dans cette maille distingue les réseaux cubique simple et cubique à faces centrées.
La structure microscopique du cristal conditionne certaines de ses propriétés macroscopiques, dont sa masse volumique.

Savoir fait  en SVT Un composé de formule chimique donnée peut cristalliser sous différents types de structures qui ont des propriétés macroscopiques différentes. Ainsi les minéraux se caractérisent par leur composition chimique et leur organisation cristalline.
Une roche est formée de l’association de cristaux d’un même minéral ou de plusieurs minéraux.

Des structures cristallines existent aussi dans les organismes biologiques (coquille, squelette, calcul rénal, etc.).

Dans le cas des solides amorphes, l’empilement d’entités se fait sans ordre géométrique. C’est le cas du verre. Certaines
roches volcaniques contiennent du verre, issu de la solidification très rapide d’une lave.

Savoir faire en SPC

    • Utiliser une représentation 3D informatisée du cristal de chlorure de sodium.
    • Relier l’organisation de la maille au niveau microscopique à la structure du cristal au niveau macroscopique.
    • Pour chacun des deux réseaux (cubique simple et cubique à faces centrées) :
                   * représenter la maille en perspective cavalière ;
                   * déterminer la compacité dans le cas d’atomes sphériques tangents ;
    •                 * dénombrer les atomes par maille et calculer la masse volumique du cristal.

Savoir faire en SVT

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