Programme de l’enseignement scientifique classe de première version 2019
Des édifices ordonnés : les cristaux
L’organisation moléculaire étant déjà connue, ce thème aborde une autre forme d’organisation de la matière : l’état cristallin (qui revêt une importance majeure, tant pour la connaissance de la nature – minéraux et roches, squelettes, etc. – que pour ses applications techniques). La compréhension de cette organisation au travers des exemples choisis mobilise des connaissances sur la géométrie du cube. Elle fournit l’occasion de développer des compétences de représentation dans l’espace et de calculs de volumes.
Savoirs
Le chlorure de sodium solide (présent dans les roches, ou issu de l’évaporation de l’eau de mer) est constitué d’un empilement régulier d’ions : c’est l’état cristallin.
Plus généralement, une structure cristalline est définie par une maille élémentaire répétée périodiquement. Un type cristallin est défini par la forme géométrique de la maille, la nature et la position dans cette maille des entités qui le constituent. Les cristaux les plus simples peuvent être décrits par une maille cubique que la géométrie du cube permet de caractériser. La position des entités dans cette maille distingue les réseaux cubique simple et cubique à faces centrées. La structure microscopique du cristal conditionne certaines de ses propriétés macroscopiques, dont sa masse volumique.
Un composé de formule chimique donnée peut cristalliser sous différents types de structures qui ont des propriétés macroscopiques différentes. Ainsi les minéraux se caractérisent par leur composition chimique et leur organisation cristalline. Une roche est formée de l’association de cristaux d’un même minéral ou de plusieurs minéraux. Des structures cristallines existent aussi dans les organismes biologiques (coquille, squelette, calcul rénal, etc.).
Dans le cas des solides amorphes, l’empilement d’entités se fait sans ordre géométrique. C’est le cas du verre. Certaines roches volcaniques contiennent du verre, issu de la solidification très rapide d’une lave.
Savoir-faire
- Utiliser une représentation 3D informatisée du cristal de chlorure de sodium.
- Relier l’organisation de la maille au niveau microscopique à la structure du cristal au niveau macroscopique.
- Pour chacun des deux réseaux (cubique simple et cubique à faces centrées) :
- représenter la maille en perspective cavalière ;
- calculer la compacité dans le cas d’entités chimiques sphériques tangentes ;
- dénombrer les atomes par maille et calculer la masse volumique du cristal.
- Distinguer, en termes d’échelle et d’organisation spatiale, maille, cristal, minéral, roche. Les identifier sur un échantillon ou une image.
- Mettre en relation la structure amorphe ou cristalline d’une roche et les conditions de son refroidissement.