Des édifices ordonnés : les cristaux – Cours

Introduction : 

Flocons de neige, coquilles, minéraux, calculs rénaux… les cristaux sont présents partout dans la nature, y compris dans notre corps. Si la cristallographie étudie la structure intime de la matière, c’est à dire l’arrangement des atomes dont elle est formée, elle est essentielle à la bonne compréhension de différentes disciplines. On peut citer parmi elles, la pétrologie qui étudie l’agencement des minéraux au sein des roches et l’origine de leur formation, la glaciologie, qui étudie les couches successives d’empilement de la neige, la médecine, qui étudie les différentes formations minérales du corps (dents, os, calculs…) …/…  

L’étude des cristaux concerne donc différents domaines des Sciences de la Vie et de la Terre.

Problèmes : Comment s’organisent les cristaux dans la nature ? Comment ils s’agencent pour former une roche? Quelles sont les structures cristalline d’origine biologique ?

I- Des cristaux naturels à la mise en place de roches variées

Rappels de physique vus auparavant :  

Structure cristalline : Un cristal présente un état ordonné élémentaire de ses atomes. Cet état élémentaire se répète périodiquement dans l’espace sous l’action d’opérations de symétrie formant ainsi la structure cristalline ou le réseau cristallin..

Maille : Plus petit édifice d’atomes permettant de reconstituer le cristal par répétition périodique du motif dans les trois directions de l’espace.

A- Les différentes échelles

Une formule chimique est une association d’atomes. Lors de la cristallisation, les atomes s’assemblent pour former une maille élémentaire. La maille se répétant, si le cristal n’est pas contraint par des limites, cela donne la structure cristalline avec une forme et des propriétés spécifiques.

B- La cristallisation

Définition : La cristallisation est le passage d’un état désordonné liquide, gazeux ou solide à un état ordonné solide. La fabrication d’un cristal se déroule sous le contrôle de différents facteurs tels que la température, la pression, le temps d’évaporation…

Si plusieurs formules chimiques sont présentes, plusieurs cristaux vont se former dans un espace contraint (par exemple une chambre magmatique) ou non (par exemple les sédiments océaniques).  

Définitions

Ainsi un minéral est caractérisé par une formule chimique et un système cristallin, c’est-à-dire respectivement par la nature des atomes (éléments) qui le composent et leur agencement dans l’espace. 

Une roche est caractérisée par l’association de cristaux d’un même minéral ou de plusieurs minéraux.

La cristallisation des roches peut s’effectuer par précipitation en milieu aqueux, ou par évaporation de l’eau ou par solidification d’un corps en fusion.

C- Des cristaux dans le monde du vivant.

Dans la nature, les être vivants utilisent des structures cristallines pour leur propres besoins, en voici quelques exemples : 

  • Comme squelette externe : coquilles, nacres ou carapaces…
  • Comme squelette interne : Os…
  • Comme moyen de défense : exemple des raphides chez les plantes…
  • Comme moyen de détection de l’apesanteur : cristaux d’amidon dans la racine des plantes…
  • Signes de pathologies : calculs rénaux, vertige et oreille interne…

II- Les variations de facteurs modifient la formation des cristaux

En faisant varier différents facteurs de cristallisation, on peut alors obtenir, à partir d’une même formule, des cristaux différents qui auront des propriétés différentes (exemple dans le monde vivant de l’huitre perlière : calcite -coquille externe- et aragonite -la nacre-). On dit que ces cristaux sont allotrophes.

Les contraintes de pression et/ou de température peuvent modifier les mailles des minéraux et donc les propriétés de ces derniers, on parle de métamorphisme.

Dans le cas particulier des roches magmatiques, la texture des roches est donnée par la vitesse de refroidissement : 

  • Une roche à texture grenue aura été formée par un refroidissement lent. On parlera de roche plutonique. Elle constitue l’ensemble des roches composant la croute continentale par exemple, comme les chaînes de montagnes.
  • Une roche à texture microlithique aura été formée par un refroidissement rapide. On parlera de roche volcanique. Elle constitue l’ensemble des roches issues d’activités volcaniques.
  • Une roche à texture vitreuse aura été formée par un refroidissement brusque, presque instantané. Les mailles n’auront pas eu le temps de se mettre en place correctement, et donc les minéraux ne se forment pas : on parle de solides amorphes. C’est le cas de l’obsidienne.  Si dans le milieu naturel, les exemples sont restreints, l’homme en a tiré une application pour ses propres besoins : le verre issu de la fusion du quartz et de son refroidissement brutal dans l’eau.

Document 2 : Exemple de roches de la croûte océanique :   

Schéma bilan :