Réalisation  Thierry DUPUREUR

 
Expériences de cristallogenèses.

Objectifs : Comprendre en expérimentant les paramètres qui contrôlent la cristallisation des minéraux lors de la formation des roches. Observer les formes géométriques adoptées pendant la cristallisation et en déduire les règles d'organisation des minéraux (possibilité d'interdisciplinarité SVT et Mathématiques).

Remarque : Il est nécessaire de bien faire comprendre aux élèves qu'on ne crée pas des minéraux, mais des cristaux, c'est le phénomène de cristallisation qui est abordé.(Dans certains cas on utilisera même des composés issus de la chimie organique, exemple la vanilline, l'aspirine...)

Ces expériences ont été réalisées dans le cadre d'un Itinéraire de Découverte SVT-Mathématiques au collège Jean Lurçat de Lanester. Elles peuvent servir de support pour un cours de géologie de 4ème ou de 1ère S, mais aussi pour les IDD et TPE.

Les protocoles sont bien sur indicatifs et peuvent être modifiés par les élèves et ainsi jouer sur les paramètres de cristallisation :

- températures de refroidissement des solutions
- degrés de saturation des solutions 
            par augmentation de l'évaporation dans des systèmes clos en présence de substances dessicatrices.
            par diminution de l'évaporation dans des systèmes clos (ballons fermés ou cristallisoirs couverts d'une plaque de verre.)
- Introduction d'impuretés pour initier les germes plus rapidement.

I - La cristallisation de la vanilline :

La vanilline est une molécule aromatique produite par une Orchidée liane, la vanille (Vanilla fragrans), ses fruits sont des capsules longues improprement appelées "gousses" (terme qui doit être réservé à la Famille des Légumineuses) et qui contiennent de fortes concentrations de vanilline.

Matériel :
Vanilline de synthèse, microscopes équipés de dispositifs de polarisation de la lumière, lames, lamelles, une source de chaleur, chronomètres, thermomètres.

Protocole de base :
L'observation se fait au microscope polarisant. On dépose sur une lame une faible quantité de vanilline (l'équivalent d'une pointe de scalpel). On recouvre le tout d'une lamelle et on fait fondre lentement les cristaux avec une bougie, la veilleuse d'un bec Bunsen, un chauffe plat, etc...(nettoyer éventuellement la face inférieure des traces laissées par la flamme.) Après fusion totale appuyer lentement sur la lamelle pour étaler la solution.

Suivre sous le microscope la cristallisation qui est assez rapide, c'est à ce stade que l'élève peut expérimenter et agir sur les facteurs de la cristallisation, essentiellement le facteur température. Des dessins à différents moments peuvent être fait et les élèves choisissent les températures de début de cristallisation (à 20°C la cristallisation est terminée en 1 minute.)

Variantes possibles : Par exemple placer la lame sur un lit de glace pilée, ou éloigner progressivement la lame de la source de chaleur, poser la lame sur la paillasse, poser la lame dans une boite de pétri qui flotte dans un bain marie et ainsi comparer la forme et la taille des cristaux (on peut utiliser des oculaires micrométriques étalonnés au préalable avec une lame micromètre objet, échelle au 1/100 mm)

Parfois on peut observer des cristaux maclés en baguettes (interpénétration de plusieurs individus), possibilité de faire un parallèle avec des minéraux, comme le Gypse en fer de lance, les Staurotides croix de Saint André (à 60°) et croisette de Bretagne (à 90°), macle Carlsbad des feldspaths...

Avec un vidéo microscope couplé à une carte d'acquisition ou simplement relié à la télévision, on peut réaliser une vidéo et des captures d'images à différents moments de la cristallisation.

II- La cristallisation de l'hexacyanoferrate de potassium, K3Fe(CN)6 :

Matériel :
hexacyanoferrate de potassium ; des chutes de pellicules photos développées mais pas impressionnées, montures de diapositives 24 x 36.

Protocole :
Dissoudre à saturation dans un peu d'eau (à froid). Repérer la face gélatinée d'un morceau de pellicule photo, c'est celle qui adhère sous un doigt humide. Étaler un peu de la solution sur cette face, laisser couler l'excédent et laisser l'eau s'évaporer. On voit alors en quelques minutes des cristaux apparaître et grandir (des cristaux en losanges, en baguette ou radiaires)

Vous pouvez ensuite projeter cette diapositive à l'écran pour une étude plus détaillée avec toute la classe.

III- La cristallisation de l'aspirine.

Matériel :
Cachets d'aspirine(non effervescent); des chutes de pellicules photos développées mais pas impressionnées ; montures de diapositives 24 x 36.

Protocole :
Dissoudre 1/4 de cachet dans de l'éther et étendre comme précédemment sur une pellicule.

IV- De très gros cristaux de sulfate de cuivre.

Matériel :
Du sulfate de cuivre pentahydrate (CuSO4,5H2O), un cristallisoir, une baguette de bois, du fil de pêche nylon très fin (0.20 à 0.10), un bécher.

Cette cristallisation se fait en deux étapes :

1. Production de petits cristaux isolés dans le cristallisoir, ils serviront de germes.

Dissoudre 50 grammes de sulfate de cuivre dans 100 cm3 d'eau très chaude. Filtrez la solution pour éviter la présence d'impuretés. Verser la dans le cristallisoir, qui sera placer sur un support stable dépourvu de vibrations. En 1h à1h30 apparaissent de petits cristaux qu'il faudra isoler et sécher pour la séance suivante.

Remarque : Si la solution cristallise en masse réchauffez le tout et recommencez.

2. Croissance des cristaux. 

Cette expérience permet de montrer comment les cristaux de grande taille se forment, ils ont besoin d'espace et surtout ne pas être en contact avec un autre élément sinon on obtient des concrétions ou des macles et l'organisation géométrique est perturbée.
Ces conditions sont bien sur peu fréquentes dans la nature et expliquent la rareté des gros cristaux bien formés.
Attacher le cristal avec le fil de pêche et le fixer au bâtonnet. Préparer dans un bécher une solution neuve de 75 grammes dans 150 cm3 d'eau très chaude et attendre 1/4 d'heure pour que la solution refroidisse. Ensuite suspendre le germe dans la solution, la croissance est assez rapide et dure environ 1h30. Ensuite il faut retirer le cristal car après 1h30, commencent des cristallisations anarchiques sur ses faces et sur le fil de pêche.

Cette deuxième phase de croissance peut être reproduite plusieurs fois et donc obtenir des tailles impressionnantes.

 

V- Une cristallisation dans le système cubique : un octaèdre d'alun de potassium.

Matériel :
Du Potassium aluminium sulfate dodécahydrate [AlK(SO4)2,12 H2O], un cristallisoir, un agitateur en verre, du fil de pêche nylon très fin (0.20 à 0.10), un ballon et un bouchon avec un trou.

1. Production de cristaux isolés dans le cristallisoir, ils serviront de germes.

Dissoudre 40 grammes de Potassium aluminium dans 100 cm3 d'eau très chaude. Filtrez la solution pour éviter la présence d'impuretés. Verser la dans le cristallisoir, qui sera placer sur un support stable dépourvu de vibrations. En une nuit apparaissent deux à quatre cristaux qu'il faudra isoler et sécher pour la séance suivante.

Cristal isolé

Deux cristaux imbriqués(macle)

L'observation de ces cristaux permet de dégager deux aspects de leur croissance :
Les stries de croissance, très visibles sur ces images montre que l'accroissement est irrégulier. Il se fait par empilement concentrique de matière par rapport au germe initial.
Ces cristaux mesurent 0.7 cm d'épaisseur, la partie en contact avec le cristallisoir est parfaitement plane. Ici la croissance est impossible vers le bas du cristallisoir. Pour qu'un cristal obtienne une forme géométrique caractéristique de son système de cristallisation (par exemple, cube, octaèdre, rhomboèdre...), il faut qu'il soit libre de croître dans l'espace.

2. Croissance libre des cristaux.

Attacher un cristal isolé avec le fil de pêche et le fixer au bâtonnet. Préparer dans un ballon une solution neuve de 80 grammes dans 200 cm3 d'eau très chaude et attendre 1/4 d'heure pour que la solution refroidisse. Ensuite suspendre le germe dans la solution, et laisser le cristal grossir à l'abris des vibrations trois jours dans le ballon bouché.