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