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Des édifices ordonnés: les cristaux
*Comment s’organise la matière minérale?*Quels sont les différents niveaux d’organisation?
*Quelle est l’origine de la diversité des modesd’organisation dans le monde minéral (inerte)?
Soulages
Un exemple de formation de système cristallin : le sel
Mer Morte, Israël/Jordanie :
un exemple naturel de formation de sel
Formation de sel actuelle-L’eau riche en sel dissous précipite dans les bassins peu profonds
Formation de germes ou noyaux cristallins, qui grossissent peu à peu au fur et à mesure que la précipitation chimique se poursuit
Na+ + Cl- ➔ NaClPrécipitation de la Halite
(sel de table)
Selon le degré d’évaporation de l’eau de
mer, ce ne sont pas les mêmes ions qui
interviennent dans la composition du sel
(les ions précipitent selon un ordre de
priorité)
->A partir d’une même solution et d’un
processus de formation identique, nous
obtenons des Roches différentes, avec
des propriétés cristallines différentes
GYPSE fibreux Halite (NaCl)
Sylvite(sels de K et Mg)CaSO4 · 2 H2O
Un exemple de formation de système cristallin : le sel
Une chimie identique…mais des propriétés cristallines différentes : le cas du Gypse
UNE MÊME FORMULECaSO4 · 2 H2O
(Sulfate de Calcium hydraté)
Saccharoïde (aspect du sucre en poudre)
Fibreux
Fer de Lance
Rose des sables
Les polymorphes :des cristaux de même
formule chimique mais d’organisation différente
Un exemple de formation de système cristallin : le sel
Des édifices ordonnés: les cristaux
Un bref survol du monde des sels révèle uneincroyable diversité des modes d’organisationsde la matière minérale…Derrière la diversité apparente, existe-t-ildes modes d’organisation communs?Comment appréhender l’étonnante diversitéde l’organisation de la matière dans lemonde minéral?
Le monde des sels nous montre que selon lafaçon dont la précipitation se fait et selon lacomposition en ions de la solution précipitante,nous pouvons obtenir une grande diversité deminéraux et de polymorphes…
Quels sont les processus responsables dela diversité des minéraux?
Les roches calcaires
Précipitation chimique des calcaires Précipitation Biochimique des calcaires
Ca2+ + CO32-➔ CaCO3
Test d’identification (effervescence)
CaCO3 + 2 HCl ➔ CO2 + CaCl2 + H2O
Falaise d’Etretat, Normandie
Récifs des îles polynésiennes Coccolithes au MEB
L’exemple des calcaires permet d’étudier une grande diversité de modes d’organisation du monde minéralC’est à partir de ces exemples que nous allons construire les bases de nos connaissances sur l’organisation de la matière minérale
Activité 1: L’organisation de la matière pour la Calcite
Dans les conditions ambiantes, les carbonatesde calcium précipitent et cristallisent sousforme de Calcite.
René Just Haüy est un minéralogiste français duXVIII°siècle qui a étudié le moded’organisation de la matière pour le minéral deCalcite. Ses études ont ensuite servi de baseà l’étude de l’organisation de l’ensemble dumonde minéral.
Comparons la géométrie d’un bloc deCalcite intact et la géométrie defragments de Calcite issu du clivaged’un bloc.
Est-ce que le bloc intact et les débris ontla même forme? Pourquoi?
Quelles sont les implications pourl’organisation de la Calcite?
René Just Haüy
1743-1822
Expériences de
clivage de la calcite
Traité de Minéralogie
(1801)
DOC1
PARTIE 1
Activité 1: L’organisation de la matière pour la Calcite
Les documents ci-contre montrent des blocs de
calcite photographiés sous différents angles, et
un tableau représentant les figures géométriques
rencontrées dans le monde minéral.
Quelle est la forme géométrique de la
Calcite? Justifiez par vos observations
PARTIE 2
Microscope optique Microscope électronique à balayage
X 100 > X 1000
Lorsque Haüy et Delafosse ont défini la notion de maille élémentaire, les microscopes, encore rudimentaires, ne permettaientpas d’explorer les plus petites échelles, en deça de quelques micromètres.1. Est-ce que les observations réalisées au microscope confirment ou réfutent les conclusions d’Haüy formulées à partir des
échantillons macroscopiques (étudiables à l’œil nu?) – Légendez les photos et justifiez votre réponse.2. Sachant que l’unité élémentaire du minéral est de l’ordre de 1 nanomètre (nm) de côté, combien d’unités élémentaires
contient un cristal dont le côté mesure un centimètre (cm)? Seul l’ordre de grandeur du nombre est attendu.
~1 µm~2 mm~2 cm
Œil nu
Activité 1: L’organisation de la matière pour la Calcite PARTIE 3
Antman
Activité 1: L’organisation de la matière pour la Calcite PARTIE 4
Suite à un moment de foliepassagère, vous devenez professeurde SVT.
Parmi les objets ou référencesculturelles du quotidien présentésci-contre, lequel vous paraît le plusapproprié pour expliquer à vosélèves le mode d’organisation de lamatière dans la Calcite?Quelles sont les limites de chacune
de ces analogies?
La notion de maille élémentaire
René Just Haüy
1743-1822
Les prémices de la minéralogie !
Expériences de
clivage de la calcite
Traité de Minéralogie
(1801)
Activité 1: L’organisation de la matière pour la Calcite
✓Le bloc de calcite se fragmente
toujours selon le même motif,
identique au cristal d’origine
✓Ce motif est baptisé par Gabriel
Delafosse ‘maille élémentaire’ en
1840
✓La maille se répète (par translation)
selon les 3 axes de l’espace
✓L’organisation de la matière contrôle
la configuration des plans de faiblesse
mécanique au sein du cristal, ce qui
fait qu’il se casse toujours selon la
même forme
➔Notion de plan de clivage
Correction & compléments
?
-La forme géométrique de la maille :
Rhomboèdre pour la Calcite (polyèdre dont les faces
sont des losanges)
Angle d’ouverture du rhomboèdre différent de 90,
diagonale non perpendiculaire, mais côtés égaux…-Nature des atomes & molécules
composant la maille
-Disposition des atomes au sein
de la maille & symétries
-Volume occupé par les atomes
et par le vide
-Distances entre molécules
Unité : Angström Å. 10-1 nm10-10 m
molécules de CaCO3
https://www.futura-sciences.com/sciences/dossiers/chimie-cristallographie-chimie-calcite-586/page/2/
Quels critères pour définir une maille?
Correction & complémentsActivité 1: L’organisation de la matière pour la Calcite
Quelle est la
forme
géométrique de
la Calcite?
Justifiez par
vos
observations
Il faut des critères valables quelque soit l’échelle
d’observation
La notion de maille élémentaire Microscope optiqueMicroscope électronique
à balayage
X 100 X 1000
La maille se répète à toutes les échelles d’observation
-Postulat confirmé par les progrès de l’imagerie microscopique au cours du XX°siècle
1cm = 10-2 m1nm=10-9 m1cm3 = 10-6 m3
1nm3 = 10-27 m3
1cm3 contient donc 1021 nm3
Activité 1: L’organisation de la matière pour la Calcite Correction & compléments
Antman
Activité 1: L’organisation de la matière pour la Calcite
Parmi les objets ou référencesculturelles du quotidien présentésci-contre, lequel vous paraît le plusapproprié pour expliquer à vosélèves le mode d’organisation de lamatière dans la Calcite?Quelles sont les limites de chacune
de ces analogies?
Toutes les briques n’ont pas la même forme, et toujours le même ordre de grandeurLes mailles ne sont pas des briques au sens strict
Idée de répétition de motifs à différente échelleEn revanche il manque l’idée de translation des mailles et de juxtapositionIci, homothétie
Juxtaposition et translation, émergence d’ordre de grandeurs successifsIl manque ici un axe…
Correction & compléments
La notion de maille élémentaire
Un cristal d’une même espèce est constitué, quel que soit son faciès,
par la juxtaposition de parallélépipèdes élémentaires «
maille intégrante », tous identiques entre eux et caractéristiques de
l’espèce.
Maille : forme géométrique qui se
répète de façon régulière dans
l’espace pour former un cristal
Activité 1: L’organisation de la matière pour la Calcite BILAN
La maille est l’enveloppe du plus petit parallélépipède de matière cristallisée conservant toutes les propriétés géométriques etphysiques du cristal, et contenant suffisamment d’atomes pour respecter sa composition chimique.
Le contenu atomique de la maille est appelé motif. Les sommets de la maille sont les noeuds.
La notion de maille élémentaire (définition rigoureuse- pour aller plus loin)
La notion de macle- Pour aller plus loin…
Interpénétration d’individus cristallins à la faveur de nœuds communs au sein de leur réseau cristallin
~cm ~mm
Macles de la Calcite
Le motif de la maille élémentaire ne se répète pas toujours selon des translations…
Jeppe Hein, moving neon cube, 2004
L’organisation de la matière solide : de la maille à la roche
Bilan pour la Calcite
Maille Cristal Roche
Ici, la roche résulte de l’assemblage d’un seul minéral, la calciteMinéral
Du plus petit (nm) au plus grand (cm)
atomes
• Maille : forme géométrique élémentaire qui se répète de façon régulière dans l’espace pour former un cristal –plus petite unité d’organisation du monde minéral. Une maille est composée d’entités chimiques (atomes, ions)
• Cristal : Un cristal est un solide dont les constituants (atomes, molécules ou ions) sont assemblés de manièrerégulière, avec une organisation définie (non aléatoire). Minéral : id. au cristal, cependant sa croissance peut nepas être parfaite (entravée par impuretés ou autre minéraux)
• Roche : ensemble de minéraux (identiques ou différents), constituant les enveloppes à forte viscosité de la Terre
• Polymorphe : minéraux qui ont la même formule chimique, mais pas la même organisation (pas la même maille)
Bilan - Définitions à retenir:
• Maille : forme géométrique élémentaire qui se répète de façon régulièredans l’espace pour former un cristal – plus petite unité d’organisation dumonde minéral. Une maille est composée d’entités chimiques (atomes,ions)
• Cristal : Un cristal est un solide dont les constituants (atomes, molécules ou ions) sont assemblés de manière régulière, avec une organisation définie (non aléatoire). Minéral : id. au cristal, cependant sa croissance peut ne pas être parfaite (entravée par impuretés ou autre minéraux)
• Roche : ensemble de minéraux (identiques ou différents), constituant lesenveloppes à forte viscosité de la Terre
(définition personnelle: matériau qui permet de propager une onde P)
• Polymorphe : minéraux qui ont la même formule chimique, mais pas lamême organisation (pas la même maille)
Toute définition est arbitraire et comprend des limites : certains métaux natifs se présentent sous forme liquide, ex: le mercure (Hg), l’eau peut être une roche (glace) mais aussi un gaz
(vapeur d’eau…)
La grotte de Pont-de-Ratz, Hérault
Perrin et al., Journal of sedimentaryresearch, 2014
Coupe d’une stalactite
ACTIVITE 2 : L’organisation d’un système calcaire naturel et dynamique : les spéléothèmes (stalactites et stalagmites)
Il est important de connaître le mode d’évolution des
stalactites car les propriétés chimiques des carbonates
fossilisent les environnements passés et permettent de
reconstruire les climats passés, les conditions de vie
des civilisations préhistoriques...
Les zones grises représentent les
zones dissoutes ou transformées
Formation des spéléothèmes
Ici, carbonate formé par précipitation chimique
Un spéléothème de la grotte de Pont-de-Ratzvu au microscope (MEB)
Perrin et al., Journal of sedimentary research, 2014
Analysons l’image de Microscopie Electronique à Balayage obtenue sur le spéléothème :
➢Combien de formes de carbonate de calcium observez-vous? Quelles sont les caractéristiques de leur maille?
Comment appelle-t-on des formes minérales différentes mais de formule chimique identique?
➢Comment le temps peut influencer la diversité des modes d’organisation des calcaires? Rappel : Dans les conditions
ambiantes, les carbonates de calcium précipitent et cristallisent sous forme de Calcite
ACTIVITE 2 : L’organisation d’un système calcaire naturel et dynamique : les spéléothèmes (stalactites et stalagmites)
Un spéléothème de la grotte de Pont-de-Ratz vu au microscope (MEB)
➢ Les cristaux de Calcite dissous sont remplacés par une autre forme cristalline, l’Aragonite, dont la géométrie de la maille est différente
Maille de système orthorhombique(prisme rectangulaire avec base rectangulaire)
➔ POLYMORPHE de la Calcite
L’Aragonite
➢ En condition ambiante, la Calcite peut se transformer lentement en Aragonite (diagenèse sur plusieurs milliers d’années) Au cours de leur histoire et leur
croissance , les stalactites subissent
des transformations minérales.Diagenèse :
Ensemble des transformations physiques et chimiques
subies par un sédiment après son dépôt ou sa formation. Favorise la
diversité des modes d’organisation de la matière minérale
ACTIVITE 2 : L’organisation d’un système calcaire naturel et dynamique : les spéléothèmes (stalactites et stalagmites)
Correction & compléments
La notion de
polymorphe cristallinL’aragonite s’inscrit dans le
système orthorhombique, mais elle est ‘taillée’, sa forme finale ne
ressemble pas strictement… Il s’agit d’un système cristallin, mais
différentes variantes selon la façon dont il est ‘taillé’
Maille Cristal Roche
TempératurePressionTemps (Diagenèse)
Po
lym
orp
hes
Macles, clivages diagenèse (cimentation)
Une même formule chimique pour une même organisation de la matière? Ca2+ + CO3
2-➔ CaCO3
L’organisation de la matière solide : de la maille à la rocheL’exemple des carbonates
Rhomboédrique
pour la Calcite
Orthorhombique
pour l’Aragonite
Minéral
Rôle de la vie dans l’organisation de la matière minérale?
Antoni Pixot
Activité 3 : L’organisation de la matière dans les Roches calcaires bioconstruites
Algues planctoniques
microscopiques en Calcite
Falaise d’Etretat,
Normandie
Craie
Les coccolithes sont maintenus entre eux par un ciment calcaire, qui lie les coquilles (tests) entre elles
Une ornementationapparaît, grâce au métabolisme des
algues.L’ornementation est
spécifique: il y a autant d’ornementation qu’il y
a d’espèces d’algues planctoniques, soit des centaines de milliers, si
ce n’est millions!
➔ Diversité de l’organisation de la
matière minérale grâce aux interactions avec le
vivant
Le rôle de la vie dans l’organisation de la matière minérale?
Roches siliceuses bioconstruites
L’organisation de la Silice dans le vivant: Les diatomées, composées de silice SiO2
Amorphe chez les diatomées
Sans le rôle du vivant : organisation de la matière minérale basée sur la chimie de la Silice
Nautilus
Velazquez Castillo et al., 2006
Le Nautile est un céphalopode dont la coquille estcomposée de Nacre. Etudions comment lemétabolisme du Nautile affecte l’organisation duCaCO3
A partir des photographies en MicroscopieElectronique et de vos connaissances, déterminez lanature et les propriétés cristallographiques dumatériau composant la coquille de Nautile
Nacre au MEB
Activité 3 : L’organisation de la matière dans les Roches calcaires bioconstruites PARTIE 1
Nautilus
Coquille en AragoniteOn reconnaît le système Orthorhombique
Organisation en colonne pour éviter la fracturation
Activité 3 : L’organisation de la matière dans les Roches calcaires bioconstruites
Correction & compléments
Echelle: B, 10 μm; C & D, 1 μm. From Cohen & Holcomb, 2009
Coraux (Porites) d’Hawaï, Pacifique
Les coraux sont des organismes formés par la symbiose entre une algueet un cnidaire. L’algue permet la précipitation du calcaire. Les corauxvivent dans des tranches d’eau de quelques dizaines de mètres de fond,pour que les algues puissent capter la lumière et faire la photosynthèse.A partir des photographies en Microscopie Electronique à Balayage(MEB) sur la partie calcifiée d’un corail:-Déterminez quelles formes cristallines du CaCO3 composent lescoraux-Comment le métabolisme de l’algue affecte-t-il l’organisation duCaCO3 au sein du Corail?
http://edu.mnhn.fr/mod/page/view.php?id=9334
Formé pendant le jour
Formé pendant la nuit
Activité 3 : L’organisation de la matière dans les Roches calcaires bioconstruites
PARTIE 2
Aragonite orthorhombique précipitée par les coraux: granulaire la nuit, en aiguille le jour…en lien avec l’activité photosynthétique!
Quand photosynthèse le jour : aragonite en aiguilleQuand pas de photosynthèse la nuit: aragonite granulaire
Coraux (Porites) d’Hawaï, Pacifique
A l’échelle d’un même organisme, les variations de l’activité métabolique contribuent également à
la diversité de l’organisation de la matière minérale!!!
Activité 3 : L’organisation de la matière dans les Roches calcaires bioconstruites
Correction & compléments
Manuel Hachette 2019
Roches calcaires bioconstruitesBILAN
Maille Cristal Roche
TempératurePressionTemps (Diagenèse)
Po
lym
orp
hes
Macles, clivagesBiologie (métabolisme,
évolution des espèces) + diagenèse (cimentation)
Une même formule chimique pour une même organisation de la matière? Ca2+ + CO3
2-➔ CaCO3
L’organisation de la matière solide : de la maille à la roche
Rhomboédrique
pour la Calcite
Orthorhombique
pour l’Aragonite
Minéral
La diversité des mailles cristallines
Schéma des différentes mailles cristallines rencontrées dans le monde minéral
ACTIVITE 3 : Visite virtuelle d’une galerie de minéralogie
A partir de la galerie en ligne du muséum d’histoire naturelle, identifiez des minéraux représentant les réseaux cristallins suivants (au moins un par système) : cubique, orthorhombique, monoclinique, rhomboédrique, hexagonal
https://www.jardindesplantesdeparis.fr/fr/aller-plus-loin/collections-plantes-animaux-2714
En quoi les formes des motifs des échantillons réels diffèrent des schémas qui vous sont fournis?
Cubique
+ Argent et Or
Orthorhombique
Monoclinique
Rhomboédrique
Hexagonal
Entretenir sa culture en minéralogie:
• http://collection-mineraux.sorbonne-universite.fr/fr/la-collection.html#N10028
• https://twitter.com/micROCKScopica