Les cristaux sont formés par des entités chimiques qui s’ordonnent suivant des principes simples. Pourtant, le plus souvent ils ne sont pas apparents dans notre quotidien.

Synthèse : Activité guidée sur la structure des cristaux

 Géométrie cubique des cristaux de sel (halite)

• L’unité élémentaire du cristal de sel est cubique.
• Les ions chlorure (Cl⁻) occupent les sommets et le milieu des faces de cette unité, tandis que les ions sodium (Na⁺) occupent le centre et le milieu des arêtes.
• Cette organisation microscopique se reflète à l’échelle macroscopique : les cristaux d’halite conservent une géométrie cubique, et certaines structures, comme les trémies, ressemblent à des pyramides creuses avec une base carrée.

 Géométrie hexagonale des cristaux de glace

• Les flocons de neige présentent une géométrie hexagonale avec six branches, parfois de structure complexe.

 Principes généraux sur les cristaux

• Un cristal résulte de la répétition dans l’espace d’unités élémentaires microscopiques identiques.
• La forme et l’agencement de ces unités déterminent la géométrie macroscopique du cristal, comme la géométrie cubique de l’halite ou hexagonale des flocons de neige.
• la géométrie des cristaux reflète la structure répétée des unités élémentaires.

 Limites des observations

• La géométrie d’un cristal ne renseigne pas directement sur la nature et la position des entités chimiques au sein de l’unité élémentaire.
• Certaines variations, comme la diversité des formes des flocons de neige, ne peuvent être totalement expliquées par la seule structure microscopique.

Synthèse : Les structures cristallines chez les êtres vivants

Présence de cristaux chez les organismes vivants

• Des structures cristallines sont présentes aussi bien chez les animaux que chez les végétaux, et même dans certaines bactéries.
• Elles se trouvent autour des cellules, à l’intérieur des cellules, ou dans l’environnement proche de cellules spécialisées.

Fonctions mécaniques et biologiques des cristaux

• Les cristaux confèrent des propriétés mécaniques aux structures qui les contiennent, telles que la rigidité et la résistance à la compression.
• Ces propriétés sont essentielles pour des fonctions de protection (exosquelettes, endosquelettes, protection des plantes contre les herbivores) et de soutien.

Exemples d’organisation et localisation des cristaux

• Les observations en microscopie (docs 2, 3 et 6) révèlent des formes géométriques caractéristiques, permettant d’identifier les cristaux.
• Leur emplacement précise les tissus ou cellules qui les produisent :
• Autour de l’organisme (doc 1).
• Dans certaines cellules (doc 3).
• Dans l’environnement proche de cellules spécialisées (doc 5).

Cas spécifique des os et leur résistance mécanique

• Les docs 7 et 8 montrent le lien entre la densité minérale osseuse (DMO) et :
• La quantité d’hydroxyapatite, un cristal responsable de la rigidité osseuse.
• Le risque de fracture, soulignant l’importance des cristaux pour la résistance du squelette.
• L’arrangement des cristaux dans les matrices extracellulaires (docs 2 et 5) renforce la rigidité et la compression des os.

Protection végétale par les cristaux d’oxalate de calcium

• Les cristaux d’oxalate de calcium (raphides) se présentent sous forme d’aiguilles, dissuadant les herbivores par leurs propriétés mécaniques (docs 3 et 4).
• L’acide oxalique, contenu dans certaines plantes, est toxique, limitant la consommation des parties riches en cristaux (comme les feuilles de rhubarbe).
• L’oxalate est aussi un produit final du métabolisme des plantes. En se combinant au calcium, il permet de réguler son taux dans les cellules, évitant les effets néfastes d’un excès de calcium.

Bilan : Les cristaux du vivant et leur structures

·       Les êtres vivants peuvent posséder des structures cristallines qui jouent des rôles variés. Par exemple, des cristaux sont responsables de propriétés mécaniques des coquilles de mollusques ou des os des vertébrés.

       Quant aux cristaux présents dans certaines cellules végétales, ils sont toxiques pour les herbivores.

 TP : Du verre dans certaines roches magmatiques

·      C’est la maille qui détermine la forme macroscopique d’un cristal.

·      On remarque une structure grenue (= avec des grains).

·      Les minéraux sont de couleurs différentes : Quartz, feldspaths et biotite (mica)

·      Le granite est composé entièrement de minéraux (quartz, feldspaths et biotite) visibles à l'oeil nu, c'est une roche issue d'un magma ayant connu un refroidissement lent (en profondeur) alors que la rhyolithe, n'a pas eu le temps de cristalliser complètement (refroidissement plus rapide), elle présente quelques minéraux contenus dans une matrice (le verre).

·      Quant à l'obsidienne, c'est une roche amorphe, presque entièrement constituée de verre, puisqu'elle s'est formée dans des conditions de refroidissement très rapides.

-       Refroidissement lent (à température ambiante) : gros cristaux

-       Refroidissement plus rapide (sur de la glace) : cristaux plus petits

-       Refroidissement très rapide (au congélateur) : très petits cristaux, presque indiscernables

Bilan sur les cristaux dans les roches :

·      Un composé de formule chimique donnée peut cristalliser sous différents types de structures selon les conditions de cristallisation (pression, température, etc.).

·      Ainsi un minéral se caractérise par sa composition chimique et son organisation cristalline.

·      Une roche est formée de l’association de cristaux d’un même minéral ou de minéraux différents.

·      Dans un basalte (roche volcanique), les minéraux sont entourés par un verre, dans lequel les entités chimiques ne présentent pas d’arrangement géométrique régulier et répété : c’est un solide amorphe. La présence de verre résulte d’une solidification très rapide de la lave.

Les roches magmatiques :

·      Gabbro

·      Basalte

·      Péridotite

·      Obsidienne

·      Granite