Notre TPE s'est construit à partir d'une expérience, nous n'avions au départ aucune idée, aucune piste de rechercher à exploiter. Nous nous sommes peu inspiré de nos recherches, provenant d'internet ou de livres du CDI, même si elles furent nombreuses au départ. Nous partions dans tous les sens pour tenter d'amasser le plus d'informations possibles, afin de ne pas nous fermer de portes. Mais il a bien fallu faire des choix au bout d'un certain temps, et nous avons déterminé des pistes de recherche autour de notre première expérience, portant sur la croissance des cristaux. Nos professeurs nous ayant montrés des photos de jardins chimiques, l'idée nous avait beaucoup plu.

Introduction : Avant de parler de la croissance des cristaux, définissons rapidement la constitution d'un cristal. C'est un solide aux formes irrégulières possédant une constitution géométrique. Un arrangement particulier d'atomes ou d'ions le compose. Un cristal repose sur des liaisons chimiques qui déterminent sa forme.

Problématique : Comment expliquer la structure tubulaire de la croissance des cristaux dans le cadre de notre expérience ?

- Plan -

 

I/ Du protocole à l'expérience

     A) Protocole et observations  |Léa|

     B) L'expérience dans l'espace et l'influence des champs magnétiques |Valentine|

II/ Dans le cadre du jardin chimique

     A) Chimie |Virgile|

     B) Osmose |Valentine|

III/ Dans la nature

     A) Coraux |Léa|

     B) Stalactites |Léa|

IV/ Conclusion

      A) Sur notre travail |Léa|

      B) Remerciements |Léa & Valentine|

      C) Bibliographie |Léa|

 

- Nous incluons sur le blog les recherches n'ayant pas abouti mais nous ayant servi tout de même. -

 

- Protocole expérimental et observations -

 

Protocole expérimental :

1. Précautions d'usage

• Porter des gants et des lunettes de protection. Éviter tout contact avec la solution de silicate de soude.

• Certains sels métalliques sont toxiques.

 

2. Matériel utilisé

• Silicate de soude concentré, 1 L

• Eau distillée

• Bécher de 1L

• Sels métalliques en poudre ou en granulés :

•  Bleu : Sulfate de cuivre pentahydraté
•  Vert : Sulfate de Fer II
•  Orange : Chlorure de Fer III
•  Blanc : Chlorure de calcium

 

3. Réalisation

• Préparer la solution dans le grand bécher en mélangeant moitié silicate de sodium et moitié eau distillée. Bien mélanger pour homogénéiser. Attention, cette solution ne se conserve pas longtemps à l'air libre car un gaz carbonique se forme, troublant la solution.

• Ajouter les sels métalliques qui doivent couler au fond du bécher.

• Ils forment des tiges vers le haut, de différente forme et couleur selon le sel.

• Au bout de 30 minutes environ, les sels ont terminé leurs croissance. Avec la spatule, constater que les tiges sont rigides et que le fond est très dur et bien accroché aux parois du bécher.

• Cette solution peut se conserver telle quelle à condition de couvrir le bécher à l'aide d'un film plastique. Quelques bouts de tiges peuvent se détacher au fil du temps.

• Pour nettoyer, diluer à grande eau le silicate de sodium, gratter les cailloux avec une spatule métallique et les jeter à la poubelle (pour ne pas boucher l'évier).

- Nous avons jeté la solution dans le bidon contenant des métaux lourds. -

 

Observations :

Nous obervons une croissance incroyablement rapide des sels métalliques comme le témoigne la vidéo (qui est bien en vitesse réelle). La bulle située à l'extrémité de la tubulure entraîne sa croissance, comme sur le schéma ci contre (cliquer sur l'image) :

 

 

 

 

- L'expérience dans l'espace et l'influence des champs magnétiques -

 

 L'expérience dans l'espace :

Après avoir été longuement étudiée sur Terre, cette expérience a été réalisée dans l’espace par le Colonel Ilan Ramon à bord de la navette Columbia du 26 avril au 6 mai 1993.

 

 

Sur l'image ci-dessous, on observe clairement des différences entre la croissance effectuée sur la Terre et celle effectuée dans l'espace. En effet, sur la Terre la croissance de ces cristaux est soumise a la gravitation et à la poussée d'Archimède. Cela explique l'orientation verticale, du fond du bocal vers le haut de celui-ci. En revanche dans l'espace la croissance n'est plus soumise à de telles forces; c'est pourquoi on constate la formation d’une sphère à partir de laquelle s'effectue la croissance dans toutes les directions.

 

 

 

 L'expérience face aux champs magnétiques :

 Nous avons remarqué que la croissance ne variait pas seulement dans l'espace; tout en restant sur la Terre nous pouvons influencer la croissance des cristaux de notre expérience. 

 

Comme nous pouvons le voir sur l'image ci-dessus, la présence d'un champ magnétique influence la croissance; en effet hors champ magnétique la croissance se fait verticalement et loin des parois alors que en présence d'un (fort) champ magnétique la croissance prend la forme d'un hélice collée aux parois.

Plus le champ magnétique est intense, plus l'hélice est "tassée" voire en forme de ressort.

De plus, l'hélice change quand de sens lorsqu'on inverse le champ magnétique.

  

Ces deux expériences nous montrent qu'il est possible de varier la croissance des cristaux dans le cadre de notre expérience principale.

- Explication Chimique -

 

 

Dissolution d’un cristal de  chlorure de fer (III) FeCl3 et formation de la paroi amorphe

 

Nous étant rendu compte que nos recherches n'avaient pas abouti, nous avons pris la décision de contacter un chercheur nommé Richard-Emmanuel Eastes en lui demandant des informations sur l'explication chimique du phénomène que nous arrivions pas à trouver jusqu'alors. Il nous confirma qu'il n'y avait pas de réaction chimique, encore moins d'oxydoréduction, mais que l'explication du phénomène reposait exclusivement sur la dissolution de cristaux. Nous détaillons ici les différentes phases.

1) Dissociation et solvatation

 

Les ions Fe3+ et Cl- se dissocient, c’est la dissociation.

 

FeCl_{3(s)     +}    H₂0   Fe³⁺_(aq) + 3Cl^-_(aq)   

 

Les ions Fe3+ sont des atomes de fer Fe(s) qui en solution aqueuse ont perdu trois électrons. Ces électrons sont des particules chargées négativement. L’atome Fe(s) étant nullement chargé, il contient autant de protons (nucléons chargés positivement) que d’électrons. L’ion Fe3+ contient donc plus de protons que d’électrons (3 de plus exactement), il est chargé positivement et est appelé cation.

 

La polarité d’une molécule dépend de la différence d’électronégativité des atomes qui la composent. L’électronégativité est une notion abstraite qui correspond à la capacité du noyau d’un atome d’attirer le nuage électronique. Une molécule est dite polaire si ses pôles positifs et négatifs d’électronégativité sont distincts. La molécule d’eau est un exemple de molécule polaire : l’atome central d’oxygène étant par définition plus électronégatif que les atomes d’hydrogène, le pôle négatif de la molécule est à son extrémité en l’atome d’oxygène, alors que le pôle positif lui se situe entre les molécules d’hydrogène.

 

 

 

Les charges de  signe opposé s’attirent, et dans ce cadre les ions Fe³⁺ s’entourent de molécules d’eau (6 en l’occurrence) selon le modèle suivant :

 

 

Un nouvel ensemble moléculaire se forme : (Fe3+,6H2O) ou [Fe(H2O)6]3+. Cet ensemble est appelé précurseur, et sa formation constitue la solvatation.

 

 

2) Déprotonation

 

 [Fe³⁺,(H₂O)₆]    [Fe³⁺,(HO^-)_h,(H₂O)_6-h] + (H₃O⁺)_h

 

La deuxième étape de cette dissolution consiste en la déprotonation : certaines molécules H2O assemblées aux ions Fe3+ perdent un proton H+ (h molécules par ion), selon le modèle moléculaire suivant (avec ici h=2) :

 

 

En effet on se retrouve avec 4 molécules d’eau et 2 ions hydroxyde dans le précurseur et 2 ions oxonium libérés en solution.

Généralisation de la déprotonation avec le cation Mz+ qui s’associe à n molécules d’eau dont h vont perdre un proton H+ :

 

[M^z+,(H₂O)_n]    [M^z+,(HO^-)_h,(H₂O)_n-h] + (H₃O⁺)_h

 

L’apparition d’ions H3O+ provoque la diminution du pH aux abords du cristal, avec l’établissement d’un gradient de pH autour de lui selon le modèle suivant (sachant que les ions H+ et H3O+ sont les mêmes) :

Le pH de la solution de silicate est environ à 12, on a donc un contraste entre l’acidité locale autour du cristal (apparition de molécules libres H3O+) et le caractère basique de l’ensemble de la solution (pH=12>7).

 

 

3) Membrane amorphe

 

a)      Hydroxyde ferrique :

 

Fe³⁺_(aq)+3HO^-_(aq)     Fe(HO)_3(s)

 

En solution les ions Fe3+ et HO- réagissent ensemble pour former de l’hydroxyde ferrique Fe(HO)3(s). Cette matière solide prend une couleur brune, cela peut être expliqué par le fait que par définition la couleur brune d’une solution contenant des ions HO-  révèle la présence d’ions Fe3+ : c’est un test révélateur des ions Fe3+. L’hydroxyde ferrique est amorphe, cela explique la texture des tubulures.

 

b)      Gel de silice :

 

 

La précipitation de Si-HO forme des liaisons Si-O-Si qui constituent la membrane gélatineuse semi-perméable des tubulures, qui les différencie des cristaux. Cette membrane est constituée de gel de silice.

 

 

 

L'explication chimique de la croissance des sels métalliques repose finalement sur les étapes de sa dissolution. En effet les ions Fe3+ ici pris comme exemple s'associent à des molécules d'eau, qui elles-mêmes vont se modifier (déprotonation) pour former des ions hydroxyde HO- et oxonium H3O+. Ces deux types d'ions augmentent et diminuent respectivement le pH du milieu dans lequel ils sont présents. Les ions H3O+ sont libérés en solution alors que les ions HO- restent liés à l'ion Fe3+. Cela fait diminuer le pH de la solution aux abords du cristal ionique et la croissance repose sur un contraste entre cette acidité et le caractère basique de l'ensemble de la solution.

 

 

 - Qu'est-ce que l'osmose ? -

 

L'osmose est un phénomène de diffusion de la matière mis en évidence lorsque des molécules d'eau (de solvant de façon générale) traversent une membrane semi-perméable qui sépare deux liquides dont les concentrations en produits dissous sont différentes. La différence de concentration provoque une différence de pression osmotique qui engendre un déplacement du solvant à travers la membrane.

Cette notion a permis de mieux comprendre le comportement des solutions aqueuses en chimie, à la fin du XIXe siècle ; mais elle est aussi particulièrement utile en physiologie et en biologie cellulaire pour expliquer les échanges chimiques au sein des organismes vivants.

 

On met en évidence l'osmose par le passage de molécules ou d’ions à travers une membrane qui sépare deux solutions de composition différente. Il faut que la membrane soit semi-perméable, c’est-à-dire perméable uniquement à l'eau (ou au solvant de façon plus générale) et imperméable aux solutés.

Tant que les deux solutions ne contiennent pas le même nombre de particules dissoutes par unité de volume, on observe un déplacement de l'eau du compartiment le plus dilué vers le compartiment le plus concentré, qui tend à équilibrer les concentrations.

 

[L’osmose est à l’origine de la turgescence et la plasmolyse de la cellule végétale, comme nous l'avons notamment vu en TP de biologie cette année en étudiant l'élongation cellulaire qui explique la croissance des végétaux] 

La pression osmotique est la pression minimum qu’il faut exercer pour empêcher le passage d’un solvant d’une solution moins concentrée à une solution plus concentrée au travers d’une membrane semi-perméable.

On pourrait imaginer que, dans la solution la plus concentrée, les molécules d'eau sont en moins grand nombre et que donc il y a égalisation de ce nombre de molécule d'eau de chaque part de la membrane. Mais cet effet est très minime. En fait, dans la solution la plus concentrée, les molécules d'eau (si le solvant est de l'eau) s'agglomèrent autour des molécules de soluté hydrophiles. Ces molécules accaparées ne traversent pas la membrane; l'important c'est la différence de concentration de «l'eau libre». Ainsi l'eau libre se déplace à partir de la solution où la concentration d'eau libre est élevée vers la solution où la concentration d'eau libre est faible, jusqu'à ce que les concentrations soient égales.

Le résultat est toujours le même : le solvant se déplace vers la solution dont la concentration de soluté est la plus élevée.

 

Pression osmotique : La pression osmotique est proportionnelle aux concentrations de soluté de part et d’autre de la membrane et de la température.

 

La formule pour calculer la pression osmotique est la suivante :

 

π = R x T x C

Avec :

 

• π la pression osmotique en Pa
• R la constante des gaz parfaits
• T la température en K
• C l'osmolarité (concentration osmolaire) en Osmol/L

 

[Considérons deux solutions aqueuses 1 et 2 de pressions osmotiques Π1 et Π2, si Π1 > Π2, l’eau passe de 2 vers 1 ; 2 se concentre (Π2 augmente) et 1 se dilue (Π1 diminue), jusqu’à égalité entre les pressions osmotiques.]

 

- Explication du phénomène d'osmose -

 

1) Explication simple :

Le cristal (ici Fer III) s’entoure d’une membrane gélatineuse semi-perméable (pointillés). A l’extérieur se situe la solution de silicate de soude (basique) et a l’intérieur solution autour du cristal (acide).

La concentration (en Fer III) est alors plus élevée a l’intérieur de la cellule; l’eau attirée passe par membrane (molécule d’eau : 0.28 nm) alors que les cations hydratés ne passent pas (0.4 nm).

 

 

 

2) Le silicate de soude :

Aussi appelé "liqueur de cailloux" c'est le liquide indispensable aux croissances osmotiques. C'est une solution très corrosive qui attaque le verre et absorbe le dioxyde de carbone de l’air (C'est pourquoi nous mettons un film plastique lors de la réalisation de l'expérience).

Comme nous allons le voir un peu plus tard, la concentration en silice a un impact sur l'expérience.

 

3) Les différentes étapes du phénomène : 

On observe un gonflement qui précède la rupture de la membrane sous l'effet de la pression osmotique. Membrane s’ouvre plus vite quand concentration en silice (C(si)) est plus élevée mais si cette concentration est trop élevée la membrane est trop dure et inversement, si cette concentration n'est pas assez élevée membrane trop molle.

Parfois même on peut voir la formation simultanée de plusieurs tubes qui peuvent se rejoindre, comme sur l'image ci-dessous :

 

 

Nous avons donc compris que c'est la bulle qui entraine la croissance vers le haut. Cette bulle n'est pas un dégagement gazeux mais simplement une bulle d'air issue de l'air initialement contenu dans les cristaux. En remontant à la surface elle emporte la matière jusqu'à la surface ce qui explique à la fois la forme tubulaire et la croissance verticale.

 

Le diamètre du tube est donc lié a celui de la bulle.

 

 

 On assiste alors a trois régimes différents au niveau de l'éclatement de la bulle d'air :

 

Popping : 

• Concentration moyenne
• La bulle monte et se détache
• Croissance périodique

 

Jetting :

• Faible concentration en Cu
• L’hydrodynamique domine
• Forte différence de densité
• Précipitation autour du jet

 

Budding

• Forte concentration
• La bulle éclate

 

 

Conclusion :

Attention : comme nous l'avons vu précédemment, la structure des parois est amorphe ; la croissance des cristaux ne peut donc pas être considérée en elle-même comme des cristaux (c'est plutôt un précipité gélatineux).

On peut donc en conclure que cette croissance est due à l ’effet de trois causes : 

1. Une force osmotique 

2.  Une différence de densité

3. Un entraînement mécanique par la bulle d’air