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Esprit critique
Une longue histoire de la matière
Ch. 1
Les éléments chimiques
Ch. 2
Les cristaux, des édifices ordonnés
Ch. 3
Une structure complexe : la cellule
Le Soleil, notre source d'énergie
Ch. 4
Le rayonnement solaire
Ch. 5
Le bilan radiatif terrestre
Ch. 6
Énergie solaire, photosynthèse et nutrition
Ch. 7
Énergie solaire et humanité
La Terre, un astre singulier
Ch. 8
La forme de la Terre
Ch. 9
L’Histoire de l'âge de la Terre
Ch. 10
La Terre dans l'Univers
Son et musique, porteurs d'information
Ch. 11
Son et musique
Ch. 12
Le son, une information à coder
Ch. 13
Entendre et protéger son audition
Projet expérimental et numérique
Livret Maths
Annexes
Chapitre 2
Activité 3 - documentaire
Une cristallisation sous conditions
15 professeurs ont participé à cette page
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Introduction
Une partie des propriétés des cristaux vient des éléments qui les constituent. Cependant, on constate qu'il existe des cristaux de même composition chimique mais aux propriétés et aux tailles très différentes.
Comment obtenir des cristaux différents et de tailles variées à partir des mêmes éléments chimiques ?
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- La caractérisation d'un édifice cristallin
- L'organisation de la matière dans une roche
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Documents
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Doc. 1Les silicates d'alumine, une famille de minéraux sous pression
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Diagramme pression-température et domaines de stabilité de trois silicates d'alumine, déterminés par des tests en laboratoire.
Travaux pratiques : comparer des modèles
de systèmes cristallins
Consigne :
Comparez les systèmes cristallins des silicates d'alumine grâce au logiciel de modélisation moléculaire MinUSc .
Comparez les systèmes cristallins des silicates d'alumine grâce au logiciel de modélisation moléculaire MinUSc .
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Disthène
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Andalousite
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Silimanite
Disthène, andalousite et sillimanite sont des silicates d'alumine \mathrm{Al}_2 \mathrm{SiO}_5 : la base de leur édifice cristallin est un tétraèdre dont les sommets sont des atomes d'oxygène, et dont le centre est un atome de silicium ou d'aluminium.
Leur présence dans une roche témoigne du degré de métamorphisme qu'a subi la roche initiale.
| Disthène | Sillimanite | Andalousite | |
|---|---|---|---|
| Système cristallin | Triclinique Le zoom est accessible dans la version Premium. | Orthorhombique Le zoom est accessible dans la version Premium. | Orthorhombique Le zoom est accessible dans la version Premium. |
| Échelle de Mohs | 4 à 7 | 7 | 6,5 |
| Masse volumique (g⋅mL-1) | 3,6 | 3,2 | 3,1 |
Tableau de comparaison de quelques
propriétés de trois silicates d'alumine.
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Échelle de Mohs : échelle permettant de mesurer la dureté des minéraux, de 1, le plus friable (référence : talc) à 10, le plus dur (référence : diamant).
Magma : liquide à haute température (plus de 600 °C) qui produit, par solidification, des roches magmatiques.
Métamorphisme : transformation des minéraux d'une roche à l'état solide, du fait d'un changement des conditions de pression et/ou de température, sans changement majeur de la composition chimique.
Microlite : petit cristal non visible à l'œil nu, souvent de forme allongée.
Verre : solide non cristallin (amorphe).
Magma : liquide à haute température (plus de 600 °C) qui produit, par solidification, des roches magmatiques.
Métamorphisme : transformation des minéraux d'une roche à l'état solide, du fait d'un changement des conditions de pression et/ou de température, sans changement majeur de la composition chimique.
Microlite : petit cristal non visible à l'œil nu, souvent de forme allongée.
Verre : solide non cristallin (amorphe).
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Doc. 2Un seul magma pour plusieurs roches
Au niveau des dorsales océaniques, qui marquent la limite entre deux plaques lithosphériques océaniques divergentes, il existe un fort magmatisme qui produit différentes roches, dont des basaltes et des gabbros.
Échantillon de basalte observé à l'œil nu.
Échantillon de gabbro observé à l'œil nu.
Lame mince de basalte observée au microscope en lumière polarisée et analysée.
Lame mince de gabbro observée au microscope en lumière polarisée et analysée.
Le gabbro est une roche dite plutonique : elle est formée à partir de poches de magma retenues en profondeur. On dit que le gabbro a une structure grenue : c'est une roche entièrement cristallisée formée de gros cristaux visibles à l'œil nu.
À l'inverse, le basalte provient du refroidissement d'un magma en surface : ce type de roche est dite volcanique. Le basalte a une structure microlitique : la roche n'est pas complètement cristallisée et on retrouve ainsi des petits cristaux, appelés microlites, dispersés dans du verre.
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Échantillon de basalte observé à l'œil nu.
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Échantillon de gabbro observé à l'œil nu.
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Lame mince de basalte observée au microscope en lumière polarisée et analysée.
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Lame mince de gabbro observée au microscope en lumière polarisée et analysée.
Le gabbro est une roche dite plutonique : elle est formée à partir de poches de magma retenues en profondeur. On dit que le gabbro a une structure grenue : c'est une roche entièrement cristallisée formée de gros cristaux visibles à l'œil nu.
À l'inverse, le basalte provient du refroidissement d'un magma en surface : ce type de roche est dite volcanique. Le basalte a une structure microlitique : la roche n'est pas complètement cristallisée et on retrouve ainsi des petits cristaux, appelés microlites, dispersés dans du verre.
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Doc. 3La cristallisation de l'éthylvanilline
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Cristaux vus au microscope polarisant et obtenus après refroidissement lent d'éthylvanilline fondue.
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Cristaux vus au microscope polarisant et obtenus après refroidissement rapide d'éthylvanilline fondue.
Travaux pratiques
Consigne :
- À l'aide de la pointe du scalpel ou de la pointe lancéolée, déposer un peu de cristaux sur une lame.
- Prendre un gant anti chaleur et saisir la lame avec la pince en bois.
- À l'aide d'une pince en bois, faire délicatement chauffer la lame en la tenant horizontalement.
- En quelques secondes, les cristaux fondent.
- Retirer immédiatement la lame de la source de chaleur, puis recouvrer d'une lamelle. Exercer une légère pression sur la lamelle afin que la couche de vanilline liquide soit la plus fine possible.
- Pour un refroidissement rapide, la lame sera aussitôt placée sur le glaçon de la boîte à pétri.
- Pour un refroidissement lent, recommencer le protocole en laissant la lame à température ambiante durant 5 minutes après avoir placé la lamelle ;
- Quand les lames ont refroidi, les placer sous l'objectif du microscope polarisant (grossissement x 40) et comparer la taille des cristaux. La réalisation de clichés ou de courte vidéo peut-être envisagée pour réaliser le bilan. Prévoir alors une caméra pour équiper le microscope.
- Précautions : La manipulation demande de travailler dans le calme et de respecter les règles de sécurité (risque de brûlure, de coupure) et dans un environnement convenablement ventilé (risque de gêne respiratoire).
Liste du matériel disponible :
- 1 dispositif de chauffage (bec électrique)
- cristaux d'éthyl-vanilline (la moitié d'un microtube)
- 2 lames de verre
- 2 lamelles
- 1 pince en bois
- 1 pointe lancéolée ou 1 scalpel
- 1 boîte de pétri contenant un fond d'eau congelée
- 1 microscope polarisant
- 1 paire de lunette
- 1 gant anti chaleur
- 1 hotte aspirante ou un environnement ventilé
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Questions
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1. Doc. 1 Expliquez comment une roche contenant de l'andalousite peut se transformer en une roche contenant du disthène.
2. Doc. 2 Comparez dans un tableau les caractéristiques du gabbro et du basalte.
3. Doc. 2 et doc. 3 Par analogie avec l'éthylvanilline, proposez une hypothèse sur l'origine de la différence de taille des cristaux dans le gabbro et le basalte. Expliquez ainsi le lien entre la structure d'une roche et ses conditions de formation.
4. Synthèse Récapitulez les différents facteurs influençant la formation des cristaux sous forme d'une carte mentale.
| Nom de la roche | Basalte | Gabbro |
|---|---|---|
| Type de roche | ||
| Couleur globale | ||
| Texture | ||
| Taille des minéraux | ||
| Minéraux présents | ||
| Verre présent ? (oui ou non) |
3. Doc. 2 et doc. 3 Par analogie avec l'éthylvanilline, proposez une hypothèse sur l'origine de la différence de taille des cristaux dans le gabbro et le basalte. Expliquez ainsi le lien entre la structure d'une roche et ses conditions de formation.
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