Atelier Chimie

Des cristaux aux cristaux liquides

Collège Irène Joliot-Curie – Mehun sur Yèvre (18)

Elèves : Com Antonin (4ème), Carré Antoine (4ème), Mary Romain (4ème), Sabourin

Théo (4ème), Favreau Kyllian (4ème), Gayon Tiphaine (5ème), Fresneda Noah (5ème),

Grabi Khéliane (5ème), Laplantine Netty (6ème), Eléonore Galmard (6ème).

Animé par : Emilie Roche Roy, Mickaël Gresset

http://padlet.com/emilie_angele_e_roy/wfkc9ma8cy36

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SOMMAIRE

INTRODUCTION ..................................................p.3

PARTIE 1 : LES CRISTAUX ......................................p.4

I) LES TROIS ETATS DE LA MATIERE .............................................p.4

II) LA CROISSANCE D’UN CRISTAL DE SULFATE DE CUIVRE ........................p.4

1) Questionnements préalables ......................................................p.4

2) Obtention des monocristaux de départ ..........................................p.5

2-a) Description de l’expérience .........................................................................p.5

2-b) Facteurs étudiés ..........................................................................................p.5

3) Grossissement des monocristaux de départ .....................................p.5

3-a) Description de l’expérience .........................................................................p.5

3-b) Obtention d’un polycristal ...........................................................................p.6

4) Grossissement du polycristal .....................................................p.6

III) LA CROISSANCE D’UN CRISTAL DE CHLORURE DE SODIUM ....................p.6

III) MODELISATION DES CRISTAUX .............................................p.7

1) La forme des cristaux ............................................................p.7

2) Réalisation de maquettes de mailles cristallines ................................p.7

IV) REALISATION DE TIME LAPSES SUR LA FORMATION DE CRISTAUX ............p.8

1) Formation de cristaux sur un « arbre magique » ...............................p.8

2) Formation des monocristaux de sulfate de cuivre ..............................p.9

3) Grossissement de monocristaux de sulfate de cuivre ...........................p.9

PARTIE 2 : LES CRISTAUX LIQUIDES ........................p.10

I) C’EST QUOI ? ...............................................................p.10

II) QU’ELLE EST LA PARTICULARITE DES CRISTAUX LIQUIDES ? .................p.10

III) DANS QUOI LES RETROUVE-T-ON DANS NOTRE QUOTIDIEN ? ...............................p.10

IV) ETUDE DE LA MODELISATION DU COMPORTEMENT DES CRISTAUX LIQUIDES .p.10

V) RENCONTRE AVEC UN ENSEIGNANT CHERCHEUR ...............................p.12

PERSPECTIVES ....................................................p.13

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INTRODUCTION

Nous savons qu’autour de nous, la matière peut se trouver sous trois états

physiques : solide, liquide et gazeux. Les molécules (ou atomes) ont des comportements

différents dans chacun de ces états. Notre projet a consisté à travailler sur les cristaux

(matière à l’état solide) et leurs formes. Dans un premier temps, nous avons mis en place des

expériences afin de préparer les plus gros cristaux de sulfate de cuivre. Par ailleurs, à l’aide

d’un appareil programmable, nous avons programmé la prise de photographie puis fait un

montage vidéo en accéléré sur la croissance de cristaux.

Dans un second temps, nous avons étudié les différentes formes que peuvent avoir les

cristaux, et réalisé des maquettes.

Tout ceci nous a conduits, dans un dernier temps, à étudier un « quatrième état » de la

matière : les cristaux liquides ! Ils sont présents partout dans notre quotidien. Nous nous

sommes demandé pourquoi les molécules constituant les cristaux liquides sont appelées ainsi ?

Afin d’y répondre, nous sommes allés à l’IUT de Mesures Physiques de Bourges.

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PARTIE 1 : LES CRISTAUX

I) LES TROIS ETATS PHYSIQUES DE LA MATIERE

Les différents états physiques de la matière sont :

Etat solide : Dans un solide les molécules bougent très peu voire même ne bougent pas.

Elles sont maintenues dans un cadre rigide par des liaisons, ainsi un solide garde la même

forme sauf s’il est soumis à des forces puissantes. (ex : Une torsion ou une pression)

Etat liquide : Les molécules se déplacent plus facilement, c’est pourquoi elles prennent

la forme de leur contenant, mais il est impossible d’approcher ou d’éloigner les molécules et

donc de les comprimer ou les dilater de force.

Etat gazeux : Les molécules sont appelées vapeur et « flottent » dans l’air elles se

déplacent très facilement c’est pourquoi les gaz se répandent et prennent la forme de leur

contenant.

Etat solide Etat liquide Etat gazeux

Etat ordonné et compact

Molécules quasi immobiles

Etat désordonné et compact

Molécules mobiles

Etat désordonné et dispersé

Molécules très mobiles

Pour que la matière passe d’un état à l’autre, il faut faire un changement de température en

chauffant. Sous l’effet de la chaleur les molécules s’écartent les unes des autres et bougent

de plus en plus.

II) LA CROISSANCE D’UN CRISTAL DE SULFATE DE CUIVRE

1) Questionnements préalables

Nous nous sommes demandé comment obtenir les plus gros cristaux de sulfate de cuivre.

Ainsi, nous avons préparé différentes solutions et utilisé différents récipients et supports

d’accroche.

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2) Obtention des monocristaux de départ

2-a) Description de l’expérience

On a commencé à préparer une solution de sulfate de cuivre : on a dissout une certaine

quantité de sulfate de cuivre en poudre dans de l’eau pure. On a laissé à l’air libre pour qu’il y

ait évaporation et que de petits cristaux se forment.

2-b) Facteurs étudiés

Nous avons étudiés les facteurs suivant : influence du support d’accroche ; influence de la

température, influence de la concentration de la solution de départ ; influence de la surface

d’évaporation

Conclusions :

Pour avoir formation de petits monocristaux réguliers, il faut que la solution de départ soit

très concentrée. Il n’est pas nécessaire d’avoir un support d’accroche. En revanche la surface

d’évaporation est importante. C’est avec l’expérience n°5 que l’on a obtenu de petits

monocristaux réguliers.

3) Grossissement des monocristaux de départ

3-a) Description de l’expérience

Nous avons prélevé les plus beaux cristaux possibles. Puis les cristaux sont attachés avec du

fil de pêche solide avant d’être plongés dans la solution. Cela a été très dur de les attacher.

Préparation de la solution de départ : Nous avons fait chauffer de l’eau déminéralisée à 40°C

et ajouté le plus possible de sulfate de cuivre dans l’eau chaude. Avant de verser la solution

dans plusieurs béchers nous l’avons faite refroidir. Ensuite les cristaux ont été plongés dans

la solution froide. Ainsi ils ont grossi.

Monocristal « 2A »

Date J J+7 J+21 J+ 28 J+35 J+42 J+49 J+56

Masse

(g) 0,6 2,9 6,3 ..... ..... ..... ..... .....

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Monocristal « 2D »

Date J J+7 J+21 J+ 28 J+35 J+42 J+49 J+56

Masse

(g) 0,7 3,2 7,3 ..... ..... ..... ..... .....

3-b) Obtention d’un polycristal

Lors d’une expérience de grossissement d’un monocristal, nous avons remarqué que sur un

monocristal, pesant 1,4 grammes, s’étaient formés des petits cristaux réguliers tout autour.

Il ne s’agit donc plus d’un monocristal mais d’un polycristal. Nous avons décidé de le garder et

de le faire grossir.

4) Grossissement du polycristal

Le protocole est le même : chaque semaine, on le pèse après l’avoir délicatement essuyé, puis

on le replonge dans une solution sursaturée de sulfate de cuivre.

Date J J+7 J+21 J+ 28 J+35 J+42 J+49 J+56

Masse

(g) 1,4 4,1 9,6 18,4 22,4 ..... .....

Polycristal à J+14

Le cristal de sulfate de cuivre a une forme : Triclinique

III) LA CROISSANCE D’UN CRISTAL DE CHLORURE DE SODIUM

De la même façon que pour l’obtention de monocristaux de sulfate de cuivre, nous

avons tenté d’obtenir des monocristaux de chlorure de sodium afin de les faire grossir. Les

monocristaux obtenus sont tous petits et nous n’avons pu les observer qu’avec une loupe

binoculaire.

Monocristaux de chlorure de sodium

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III) MODELISATION DES CRISTAUX

1) La forme des cristaux

Il y a différentes formes de cristaux qui sont toutes régulières, il y en a 7.

Approche historique

● C’est le géographe grec Starbon qui utilise pour la première fois le mot « krystallos »

signifiant glace, pour désigner un cristal translucide de quartz.

● A l’époque de la Renaissance, Andreas Libavius étudie les caractéristiques géométriques de

certains cristaux.

● En 1611, l’astronome Johannes Kepler (1571 - 1630) publie un livre dans lequel il parle de la

symétrie des cristaux de neige.

● Au XVIIIème siècle, c’est un abbé René Just Haüy qui écrit un livre qui s’intitule

Cristallographie dans lequel il parle des différentes formes cristallines et des troncatures.

2) Réalisation de maquettes de mailles cristallines

A l’aide de notre professeur de mathématiques, nous avons réalisé des maquettes des 7

formes que les cristaux peuvent avoir.

Quand la croissance des cristaux se fait sans gênes, le cristal prend une forme

régulière. Lorsque le cristal se forme avec des gênes, on n’obtient pas forcément la

forme prévue.

Exemple : Dans la forme cubique, la plus petite brique est un cube. Mais quand le cristal

grossit, le résultat d’empilement de petits cubes dans les trois directions de l’espace, peut

ne pas former un cube mais un octaèdre.

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Nous avons illustré ce phénomène en préparant de nombreux petits cubes en 2D puis en 3D

(par pliages) puis nous les avons assemblés afin de former un octaèdre.

Octaèdre en 3D et 2D (assemblage de 5 couches de petits cubes)

Coupe d’un octaèdre en 2D (assemblage de 7 couches de petits cubes)

Nous avons imprimé l’octaèdre à 7 couches grâce à une imprimante 3D à l’aide du logiciel

SolidWorks.

IV) REALISATION DE TIME LAPSES SUR LA FORMATION DE CRISTAUX

Grâce au CDDP du Cher, nous avons pu obtenir le prêt d’un appareil qui permet de prendre des

photographies sur une durée précise et à intervalles précis. Afin de nous approprier le

matériel, nous avons décidé de commencer par l’expérience de « l’arbre magique ».

1) Formation de cristaux sur un « arbre magique »

Préparation de l’expérience :

Une solution, dont malheureusement nous ne connaissons pas la composition1, est placée dans

une boite de pétri. Nous avons déposé au milieu un arbre en papier buvard.

Programmation de l’appareil :

Nous avons estimé que l’expérience allait s’échelonner sur 24h maximum. Pour réaliser une

seconde de vidéo il faut 24 images. Nous nous sommes dit qu’il fallait que notre vidéo soit

1 Le kit de l’arbre magique a été acheté sur internet et la composition de la solution n’était pas précisée.

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assez courte, environ 50 secondes soit environ 1200 images (soit photos). Ce qui représente

une photo prise toutes les minutes sur 24h.

A la fin de l’expérience, nous avons obtenu 1440 photos que nous avons montées grâce au

logiciel Windows Live Movie Maker.

Résultat : Vidéo youtube : https://youtu.be/kuFM5q27WeI

2) Formation des monocristaux de sulfate de cuivre

A venir

3) Grossissement de monocristaux de sulfate de cuivre

https://youtu.be/goyxR8EdQwY

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PARTIE 2 : LES CRISTAUX LIQUIDES

I) C’EST QUOI ?

Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d’un liquide

conventionnelle et celles d’un solide. Il s’agit donc d’un état qui n’est ni liquide ni solide mais

intermédiaire entre l’état solide et liquide.

II) QUELLE EST LA PARTICULARITE DES CRISTAUX LIQUIDES ?

L’une des propriétés des cristaux liquides est la biréfringence, c’est une propriété optique

(en rapport avec la lumière).

La principale caractéristique des cristaux liquides est donc leur capacité à « interagir »

avec la lumière.

Explication de la biréfringence : lorsqu’un rayon de lumière arrive sur des cristaux liquides,

ces derniers ont la faculté de diviser ce rayon de lumière en deux. On observe le même

phénomène avec des cristaux transparents. Ce qui fait qu’une image observée à travers un

cristal transparent apparaît dédoublée.

III) DANS QUOI LES RETROUVE-T-ON DANS NOTRE QUOTIDIEN ?

On retrouve les cristaux liquides dans : les testeurs de piles, les rubans thermométriques,

les écrans (LCD, ordinateur, téléphone portable...), les billets de banque.

IV) ETUDE DE LA MODELISATION DU COMPORTEMENT DES CRISTAUX LIQUIDES

Cette expérience a été imaginée par M Faubert. Elle permet de « visualiser », mieux, de

modéliser, le comportement des cristaux liquides. Cette modélisation va nous permettre

aussi de mieux comprendre pourquoi, un jour, le terme liquide a été associé à celui de cristal !

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Schéma de la maquette :

Photo de l’expérience

Légende :

1 = GBF (Générateur Basse Fréquence) ; 2 : amplificateur ; 3 = Trépied ; 4 = Haut-Parleur

1ère expérience : modélisation du comportement des molécules en fonction de la température

On sait que lorsque la température augmente, les molécules se désordonnent de plus en plus.

Ici, on ne peut pas augmenter la température mais on va faire la même chose en augmentant

la fréquence qui fera vibrer les billes. Donc dans cette expérience, le fait d’augmenter la

fréquence fera bouger les molécules, exactement comme la température.

2ème expérience : modélisation du comportement des cristaux liquides en fonction de la

température

On utilise des aiguilles pour représenter les molécules car les molécules de cristaux liquides

sont en forment de bâtonnet. Les aiguilles bougent.

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Les aiguilles se disposent de façon parallèle par petits paquets qui sont désordonnés entre

eux.

V) RENCONTRE AVEC UN ENSEIGNANT CHERCHEUR

Lors de la visite de l’I.U.T. de Mesures Physiques de Bourges, nous avons été guidés et

accompagné par M François Faubert, enseignant chercheur. Nous lui avons posé des

questions.

1) Pourquoi avez-vous choisi ce métier ?

« Car quand j’ai fait mon premier cours, j’ai trouvé ça bien et j’ai continué. »

2) Que signifie l’abréviation I.U.T. ?

« Cela signifie Institut Universitaire Technologie. »

3) Votre métier vous plait-il ?

« Oui, car quand les étudiants comprennent cela me fait plaisir. »

4) Combien d’années d’enseignement avez-vous à l’IUT ?

« J’ai 26 années d’enseignement à l’IUT. »

5) Quelles études avez-vous fait ?

« J’ai fait 8 années d’études (cela correspond à un doctorat). »

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PERSPECTIVES

Notre projet est loin d’être terminé. Nous devons encore continuer de faire croître

nos cristaux et tenter de faire la même chose avec du sel (chlorure de sodium).

De plus, nous devons aussi construire notre expérience de modélisation du comportement des

molécules à l’aide d’un G.B.F., d’un haut-parleur, et des billes (ou aiguilles).

Enfin nous allons également modéliser avec solidworks des maquettes afin de les imprimer

avec une imprimante 3D.