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Cristallogénèse

Fabriquer ses cristaux, comprendre les formes cristallines. Voir descriptif détaillé

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Introduction

Les cristaux ioniques prennent des configurations géométriques et des couleurs intéressantes permettant de comprendre les grands principes de la cristallographie. Ces cristaux peuvent être naturels ou synthétisés en laboratoire. Cet article vous permettra d’effectuer vos premiers pas dans une activité mêlant création et patience. Notre association possède ce savoir faire, n’hésitez pas à nous demander conseils.

Le Projet















Formes et couleurs
Photo : OSI/Jerome Mathey

1. Choix de l’espèce chimique (la substance)

Pour commencer, il faut choisir un sel ionique qui respecte quelques principes de base évidents :

- faible toxicité pour le manipulateur et l’environnement
- bonne solubilité
- prix
- résultats intéressants (en terme de couleurs, formes cristallines, habitus)
- rapidité de cristallisation et sensibilité aux paramètres expérimentaux

Lors des premiers tests, les substances suivantes ont été employées :

- Alun de potassium (K2SO4 Al2(SO4)3)
- Sulfate de cuivre (CuSO4)
- Sulfate de Fer (FeSO4)
- Dichromate de Potassium (K2Cr2O7)
- Chlorure de Potassium (KCl)

Ces substances ne respectent pas toutes les premières recommandations, voici quelques précisions (à moduler car l’alun de potassium réunit toutes les conditions, voir cet article).

Caract.Alun de KSulfate de CuSulfate de FeDichromate de KChlorure de K
Couleur Inc. Bleu Vert orange blance/inc.
Toxicité - ++ ++ +++ -
Intérêt Fort Fort Faible Fort Faible
Facilité +++ ++ +++ ++

2. Recommandations

La synthèse de cristaux ne nécessite pas de grandes compétences techniques en chimie. La manipulation de poudres, leur dissolution à chaud, les dilutions et la manipulation de liquide ne demandent qu’un peu de soin et de concentration. La cristallisation, elle, ne demande que de la patience.

Certaines substances sont toxiques, peuvent être mortelles ou peuvent être un risque pour l’environnement. Le manipulateur se doit
de prendre connaissance des fiches sécurités disponibles sur internet. Les sulfates de fer et de cuivre sont irritantes et nécessitent quelques précautions et lavages de main. Elle font l’objet d’une interdiction de vente aux enfants (les cristaux ressemblent à des bonbons et la dose mortelle est de 500mg, ce qui est la moitié du poids d’un gros cristal classique). Cependant, tout est relatif et un cutter peut aussi être mortel... Le dichromate est déconseillé et même réservé à un chimiste conscient des risque encourus (de plus, c’est explicitement indiqué sur la fiche sécurité).

Le problème est donc de trouver des espèces intéressantes et inoffensives, ce qui n’est pas évident aux premiers abords. Les chlorures (NaCl et KCl) assez innofensifs donnent de bons résultats...mais au bout de 2 semaines.... Seul l’alun est prometteur et permet même de jouer sur l’inclusion d’impuretés dans la maille cristalline (même effet que pour les corindons avec la différence de couleur entre le saphir et le rubis).

La protection individuelle est indispensable, le port de blouse et de lunettes nécessaire...celui de gants relatif à la substance.

Il semble évident qu’il ne faut pas boire ou manger pendant l’atelier, que se laver les mains doit être automatique et que le lieu de l’atelier doit être assez bien géré.

3. Synthèse

La synthèse s’effectue en trois grandes étapes, que l’on pourra raccourcir ou multiplier en fonction des besoins.

Afin d’obtenir de bons gros cristaux observables, manipulables et représentatifs de l’espèce chimique considérée, il faudra limiter les impuretés et laisser le temps de grandir aux cristaux.

- La première étape sera de dissoudre la poudre dans de l’eau distillée jusqu’à saturation (quand le rajout de poudre ne se dissout plus et que celle-ci reste au fond). Une dissolution à chaud est préférable.

Première cristallisation
Photo : OSI/Jerome Mathey
  • Prendre une casserole (les récipients en pyrex ne résistent pas toujours bien aux manipulations sur plaque électrique), y verser un volume raisonnable (200mL d’eau distillée - ED) d’ED et porter à ébullition, y verser la poudre à l’aide d’une cuiller ou d’une spatule et agiter.
  • Lorsque la poudre ne se dissout plus, verser le contenu dans un récipient très propre (en pyrex par exemple) au travers d’un entonnoir muni d’ouate synthétique (perlon pour filtre d’aquarium).
  • Laisser reposer tranquillement, des aiguilles et des cristaux devraient commencer à se former, laisser refroidir au moins pendant 1h. Des monocristaux devraient s’être formés, les mettre de côté.
Choix des monocristaux
Photo : OSI/Jerome Mathey

- La seconde étape nécessite de choisir les monocristaux intéressants. Filtrer la solution précédente (entonnoir + perlon) et y replacer les monocristaux. (On peut aussi réchauffer la solution, la resaturer et verser la solution chaude sur les monocristaux, cependant, ils risquent d’être enchevêtrés au milieux de nouveaux petits cristaux). [Le test du dichromate donne des résultats intéressants mais n’est à faire que par un Chimiste confirmé]

Seconde Cristallisation
Photo : OSI/Jerome Mathey

- La troisième étape consiste à choisir un gros monocristal, à l’attacher grâce à un fil de couture fin et à le plonger dans une solution saturée...le temps fera le reste.

Monocristal accroché à un fil (Alun)
Photo : OSI/Jerome Mathey
Accélérateur de croissance
Photo : OSI/Jerome Mathey

ATTENTION, dès qu’une solution ne sera pas totalement saturée, le cristal disparaitra par dissolution...y penser !!!

4. Interprétations et ouvertures

Nous obtenons donc des schémas de type « fractale » où la géométrie est la même à n’importe quelle échelle. Cette géométrie, influencée par les conditions expérimentales permet de lire la maille cristalline et « comprendre » l’arrangement atomique sans s’imaginer les atomes. La couleur devient aussi une propriété physique propre à la substance et il peut être aisé de comprendre que l’ajout de colorant ne peut rien y faire. L’objectif est de trouver un cristal ayant une maille hexagonale (ou proche) afin de construire des formes particulières permettant de comprendre la formation des cristaux de neige ou de glace.

D’autres ouvertures pourront venir par la suite, d’autres expérimentations et des optimisations doivent avoir lieu afin de garantir des activités pertinentes et captivantes.

5. Résultats en images

Monocristal Rhomboédrique
Photo : OSI/Jerome Mathey
Cristaux de sulfate de cuivre
Photo : OSI/Jerome Mathey
Agrandissement des monocristaux
Photo : OSI/Jerome Mathey
Croissance d’un monocristal
Photo : OSI/Jerome Mathey

Deux ouvrages de référence peuvent permettre de mieux comprendre encore ces aspects :

- The Art and science of growing crystals [1]
- Crystals and crystal growing [2]

A lire également : Des diamants par milliers sur Uranus ?

Notes:

[1The art and science of growing crystals, J.J.Gilman, 1963, John Wiley & sons, New York

[2Crystals and crystal growing, Alan Holden and Phylis Morrison, 1995, MIT, Cambridge

Photos / Vidéos

Cristaux vert de sulfate de Fer

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