Cristaux ont longtemps été parmi les formes les plus fascinantes du monde de la nature, de l'art et de l'industrie. Lorsque vous pensez au mot, vous pouvez imaginer un élégant lustre de salle de bal, un morceau de quartz que vous avez trouvé vous-même ou des morceaux de sel.
Même sans l'utilisation d'un microscope pour examiner la structure plus fine des matériaux cristallins, vous êtes probablement frappé la plupart par leurs angles réguliers, et le sentiment qu'ils obéissent à des règles strictes tout en manifestant un éventail fantastique de formes.
En chimie, un cristal est une matière qui prend une forme cristalline, presque toujours un solide. La caractéristique de ce type de structure est une sorte de sous-unité répétitive, qui est généralement un noyau atomique à la centre d'un cube géométrique et des ions porteurs d'une charge différente placés aux coins du cube ou au centre de ses côtés.
Un cristal de bricolage populaire dans les laboratoires de chimie du monde entier est alun. Travailler avec ce matériau, que vous pouvez facilement vous procurer dans la plupart des supermarchés, est un excellent moyen de se familiariser avec le comportement de certaines solutions et la formation de cristaux en général.
Que sont les cristaux ?
Avant de pouvoir apprécier pleinement les cristaux, c'est une bonne idée de prendre du recul et de revoir comment les chimistes et les physiciens classent États de la matière. Un changement d'état de la matière n'est pas un changement dans la composition chimique d'une substance (c'est-à-dire que ses molécules ne changent pas) mais plutôt un changement dans l'arrangement physique de la matière.
Les trois états standard de la matière sont, par ordre d'énergie cinétique moléculaire croissante, solide, liquide et gaz.
Lorsque les molécules sont sous la forme d'un solide, cela signifie que leurs molécules ont une énergie cinétique totale et moyenne (KE) inférieure à la même quantité de cette substance à l'état liquide, qui à son tour présente un KE inférieur à l'état gazeux pour cette substance.
Souvent, les molécules sous la forme d'un solide, dont les noyaux n'ont pratiquement aucune liberté de mouvement les uns par rapport aux autres, forment des motifs réguliers et répétitifs appelés réseaux.
Alors que ces petits réseaux (conceptuels, non réels) ne couvrent qu'une molécule ou deux, leurs propriétés s'étendent largement au monde "macro". Le quartz, à l'inspection, est de toute évidence une sorte de roche "régulière", avec des angles et des lignes géométriques agréables à l'œil; d'autres cristaux, dont beaucoup sont synthétiques, capturent, réfléchissent et réfractent la lumière de manière visuellement attrayante et sont populaires en bijouterie, en architecture et ailleurs.
- Certains cristaux existent à l'état liquide à température ambiante, comme le diode à cristaux liquides (LCD) utilisé dans certains systèmes d'affichage modernes.
Qu'est-ce qu'une solution ?
Lorsqu'un solide avec des molécules constituées d'ions liés (atomes ou molécules chargés) est placé dans un liquide, les liaisons du solide peut être brisé, et les atomes ou molécules constitutifs de la substance solide peuvent se disperser uniformément dans tout le liquide. Lorsque c'est le cas, le résultat est appelé solution; lorsque l'eau est le liquide, on l'appelle une solution aqueuse,
- Dans ce contexte, le liquide est un solvant, et le solide est un soluté.
La quantité d'un soluté qui peut être dissoute dans une quantité donnée d'eau ou d'un autre solvant est, comme on peut s'y attendre, finie; dans de nombreux cas, la solubilité d'une substance donnée dans un solvant donné dépend également de la température à laquelle se produit cette réaction chimique.
En général, lorsque la température augmente, la solubilité augmente et lorsque la température baisse, la solubilité diminue. Cela signifie que pour une quantité donnée de soluté, une solution peut se former à une température, mais le solide peut être présent à une température plus basse.
Au point où plus aucun soluté ne peut être dissous en solution, la solution est appelée saturé, et les conditions sont en place pour que la formation de cristaux se produise. Si plus de solution est ajoutée (ou, dans certains cas, si la solution est refroidie), plus de soluté s'accumule car la solution est maintenant sursaturé. Les cristaux commencent maintenant à se former à la suite de collisions favorables entre les molécules de soluté dans la solution de plus en plus encombrée.
Alun: formule, faits et chiffres
Alun est un cristal utile pour apprendre comment ces solides se forment, car l'apparence et la croissance des cristaux d'alun peuvent être facilement produites, contrôlées et observées. L'alun peut faire référence à une substance ayant une formule chimique spécifique ou à une classe de produits chimiques qui comprend ce composé « phare ». Le produit chimique qui porte le plus souvent le nom d'"alun" est en fait alun de potassium.
La formule de l'alun de potassium est KAl (SO4)212 heures2O. Cela signifie qu'une molécule de sulfate d'aluminium et de potassium, KAl (SO4)2, est entouré de douze molécules d'eau pour générer une unité de la structure du réseau cristallin. Mais parce que le métal dans la formule peut être autre chose que le potassium, la première partie de la formule chimique de l'alun peut être KCr (SO4)2, KAl (SO4)2 ou autre chose.
L'alun a un poids moléculaire (MW) de 477,4 grammes (g). Il a un point de fusion de 93 °C, proche du point d'ébullition de l'eau de 100 °C. Cela signifie qu'il restera de manière fiable un solide à température ambiante, qui se situe normalement entre 20 et 22 °C. Il produit des cristaux blancs à incolores. Il n'est pas soluble dans l'alcool éthylique comme dans l'eau et l'alcool polyhydroxylé glycérol.
Faire pousser des cristaux d'alun
Matériaux: Vous pouvez trouver de l'alun dans la section des épices de la plupart des supermarchés. En dehors de cela, tout ce dont vous avez besoin est facile à entretenir. Assurez-vous que l'eau que vous utilisez est bien distillée, c'est-à-dire "pure" et exempte d'ions qui pourraient contaminer le processus. Vous devriez avoir à votre disposition ces éléments :
- Eau distillée
- Plusieurs petits bols ou soucoupes
- Une casserole pour faire bouillir de l'eau
- Une cuillère à mélanger
Faire des cristaux d'alun par évaporation: Sur la base du matériel précédent, vous devez vous attendre à ce que pour commencer, vous vouliez que les conditions soient au maximum favorables à la dissolution de l'alun que vous ajoutez à l'eau. Après tout, plus rapidement vous pouvez saturer et sursaturer une solution, plus tôt vous pouvez commencer le processus de croissance des cristaux pour de bon.
Commencez par faire bouillir une petite quantité d'eau (environ 2 onces liquides à 4 onces liquides, soit environ 100 millilitres suffisent), puis laissez-la refroidir un peu. Commencez à ajouter de l'alun par cuillerée et remuez soigneusement entre les ajouts jusqu'à ce qu'il se dissolve. Continuez à faire cela par petites gradations jusqu'à ce que plus aucun alun ne puisse se dissoudre. La solution est maintenant sursaturée.
Ensuite, versez une partie de l'eau, en faisant attention de ne pas inclure l'alun non dissous au fond de la casserole. Laissez-le refroidir pendant quelques minutes, puis mettez ce qui reste dans la casserole dans les bols ou les plats et placez-les au réfrigérateur.
Cela maximisera la surface du mélange par rapport à son volume, favorisant l'évaporation plus rapide de l'eau et la croissance accélérée des cristaux d'alun.
Suivi et questions à étudier : Vous commencerez à voir des cristaux se former dans une heure ou deux, mais soyez patient; après une journée, vous verrez de vrais cristaux, et dans les deux jours, vous aurez un affichage à cristaux.
Pourquoi voyez-vous des cristaux de tailles différentes dans le même bol ou entre les bols? Quelles conditions autres que la température et la concentration pourraient favoriser l'attachement des molécules d'alun les unes aux autres? Décririez-vous l'un d'entre eux comme aléatoire ?