- Applications de notre expérience dans la nature -

 

En réalisant nos expériences, nous nous sommes aperçus que les tubulures montraient une croissance qui semblait vivante. Nous avons alors cherché à trouver des compraisons dans la nature.. Pouvons-nous observer des applications de cette croissance des tubulures dans le monde du vivant ?

 

Stalactites

Bien que la formation d'une stalactite prenne des centaines d'années, et que notre expérience ne prenne que quelques minutes, nous observons des similitudes :

 

Définition : Le mot stalactitevient du grec stalaktos qui signifie couler goutte à goutte. Les stalactites se forment donc en général à la voûte des grottes et souterrains, mais aussi sous des plafonds ou dalles de béton de mauvaise qualité ou fendus.

Formation des stalactites : L'eau, en ruisselant dans les sous-sols, produit deux effets. Le premier est mécanique, c'est l'érosion. L'eau qui s'écoule exerce une force de frottement sur les parois, auxquelles elle arrache des particules.

Le second effet est chimique, c'est la dissolution : l'eau dissout le calcaire. En traversant l'atmosphère et en s'infiltrant dans le sol, elle se charge en dioxyde de carbone dissous. Or, ce gaz l'acidifie. Et l'eau acide suffit à désagréger des molécules de calcaire.

Puis, lorsque l'eau chargée en acide carbonique et en calcaire sort d'une fissure pour se retrouver à l'air "libre", le dioxyde de carbone s'échappe du milieu liquide pour retrouver sa forme gazeuse. L'eau, devenue moins acide, ne peut alors plus garder le calcaire dissout : il précipite sous une forme cristallisée, la calcite.
Ces minuscules cristaux de calcite s'accumulent et se soudent à l'endroit où la goutte les a abandonnés. Au fil du temps, ils construisent des structures tubulaires.

Croissance des stalactites : Les stalactites ont été formées par des gouttes qui ont déposé leur calcite en ruisselant depuis le plafond. D'abord fines, les stalactites sont creuses. L'eau passe à l'intérieur et dépose le carbonate de calcium au bout de sa course : les stalactites s'allongent. Parfois, le conduit se bouche. La pression de l'eau augmente alors et elle traverse le tube grâce à la porosité de la calcite. Finalement, elle coule autour de la stalactite et celle-ci s'épaissit.

Structure des stalactites: Nous observons dans notre expérience une croissance des tubulures entraînée par une bulle, qui poussent vers le haut. Dans le cas des stalactites, certaines présentent un tube creux :

Une fistuleuse est une stalactite particulière. Il s'agit en fait de l'élément qui est à l'origine de la plupart des stalactites classiques.
On peut se la représenter comme un tube creux d'environ 1cm de diamètre extérieur, situé sur une faille par laquelle s'écoule de l'eau.
Ce tube se construit au fur et à mesure par cristallisation du calcaire dissout dans cette eau ruisselante qui stagne dans la goutte bloquée en bout de fistuleuse.

 

Nous voyons nettement sur cette photo la goutte d'eau calcaire bloquée en bout de fistuleuse.

Ainsi, la croissance des stalactites n'est comparable à la croissance de cristaux dans un milieu de silicate de soude seulement sur un point : la forme. Leurs mécanismes de croissance n'ont rien à voir : les stalactites croissent vers le bas, puisque la fameuse bulle qui les fait grandir est de l'eau qui coule, alors qu'il s'agit d'air pour les tubulures de nos cristaux.

 

Coraux

Qu'est-ce qu'un corail ? : Les coraux sont des animaux invertébrés, et si leur étude montre moins de similitudes avec nos tubulures que les stalactites, c'est d'abord parce qu'elle touche au monde du vivant. Ensuite, parce que leur forme est très variée et qu'il n'existe qu'une seule espèce de coraux parmi quantité d'autres présentant ces ressemblances : il s'agit des coraux durs à squelette calcaire qui forment les récifs les plus connus.

Croissance : Ils construisent tout au long de leur vie un squelette extérieur à partir de minéraux présents dans l'océan et bâtissent ainsi un squelettes calcaire sous le tissu vivant, c'est leur façon de grandir.

Nous retrouvons donc la présence de calcaire, à l'instar des stalactites. Le tissu vivant est le polype, partie molle, qui repose dans une loge calcaire, partie dure. Le polype est une petite amphore dont la taille varie d'1 mm à quelques cm :

 

 

Les polypes sont comme des architectes, qui construisent une loge calcaire telle une petite tour. La formation de calcaire est due à l'activité de cellules responsables de la précipitation de cristaux de carbonate de calcium qui forment le squelette externe qu'on peut observer sur tous les coraux.

 

Corail dur à squelette calcaire

 

 

- Conclusion -

Sur notre travail

Nous retiendrons en résumé que la croissance des cristaux dans un milieu de silicate de soude est fondée sur la croissance de tubulures, entraînées par une bulle d'air. Des phénomènes comme l'osmose ou encore la précipitation permettent d'expliquer cette croissance.

Notre TPE s'est entièrement construit sur une expérience, ce qui peut présenter des risques au niveau des informations à collecter; nous n'arrivions pas à nous lancer. Mais finalement nous avons dû inventer nos propres questions et réponses, et cette démarche nous a permis de contruire une production vraiment personnelle.

 

Remerciements

A  M. Richard-Emmanuel Eastes
Directeur de l'Espace des Sciences Pierre-Gilles de Gennes
(http://www.richard-emmanuel.eastes.eu/)

Pour nous avoir grandement aidés dans la compréhension des principes osmotiques et des réactions de précipitation.

Et bien sûr un grand merci à l'équipe enseignante qui nous a encadrés tout au long de ce projet (Mme Marchand et Mme Mattey) ainsi qu'à M. Farina qui nous a accordé un peu de son temps si précieux.

Bibliographie

http://scienceamusante.net/wiki/index.php?title=Les_jardins_chimiques: Notre protocole expérimental

http://www.spc.ac-aix-marseille.fr/labospc/spip.php?article130 : Exemple de protocole expérimental

http://www.geoforum.fr/topic/14517-fabrication-de-cristaux/ : Forum : comment fabriquer des cristaux ?

http://www.atomes-crochus.org/haikus/Pdf/lavie.pdf : Article sur l'osmose

http://scienceamusante.net/wiki/images/3/38/Article_La_Recherche_Jardins_chimiques.pdf :Jardins chimiques

http://ncwsnc.cheminst.ca/experiments/fgarden.html : Exemple d'expérience de jardins de cristaux

http://villemin.gerard.free.fr/Science/Cristaux.htm, http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9seau_de_Bravais, http://fr.wikipedia.org/wiki/Structure_cristalline: Recherches sur la structure cristalline:

http://www.stephanequerbes.com/video/cg/cg.html : Vidéo sur la croissance des jardins de cristaux

http://www.lec.csic.es/~julyan/papers/Silica_gardens/ : Jardins de cristaux (en anglais)

http://nte.enstimac.fr/CristalGemme/co/uc_Taille.html : Généralités sur les cristaux

http://depinfo.mines.inpl-nancy.fr/Members/ciarletta/Enseignements/CoursEnCours/stalactite, http://fr.wikipedia.org/wiki/Stalactite : Stalactites

http://fr.wikipedia.org/wiki/Corail, http://clam34.com/index.php?option=com_content&view=article&id=176:la-croissance-des-coraux-en-aquarium&catid=54:les-cours&Itemid=75 : Coraux

 

 

Ayant effectué l’expérience plusieurs fois nous avons cherché une explication chimique au phénomène : la possibilité d’une réaction chimique ne nous a pas échappé, et la formation des nombreuses excroissances nous a mis sur cette voie. De plus la formation de bulles à leurs extrémités nous a fait penser à un dégagement gazeux.

 

- Réaction d’oxydoréduction -

Les sels métalliques dissouts dans l'eau donnent des ions, et ces ions sont souvent impliqués dans des réactions d'oxydoréduction, du fait qu'ils ont perdu ou gagné des électrons et qu'une réaction d'oxydoréduction consiste en un échange d'eux-même.

A) On cherche d’abord les formules et équations de dissolution de tous les éléments présents :

 

-  eau : H₂O

-  silicate de sodium : Na₂SiO₃

-  sulfate de cuivre : CuSO₄ (Cu²⁺+ SO₄^2-)

-  chlorure de calcium : CaCl₂ (Ca²⁺+2Cl^-)

-  chlorure de fer (III) : FeCl₃ (Fe³⁺+3Cl^-)

 

 

         B) On cherche les couples et potentiels d’oxydoréduction supposés mis en cause dans la réaction :

 

 

a)      Silice, silicate :

 

- SiO₃^2-/Si (s)   (E°=-0,455 V)

- SiO₃^2-/SiH₄ (g)    (E°=-0,176 V)

- HSiO₃^-/SiH₄(g)    (E°=0,265 V)

- H₂SiO₃/SiH₄(g)    (E°=-0,339 V)

- HSiO₃^-/Si (s)    (E°=-0,632 V)

- H₂SiO₃^-/Si (s)    (E°=-0,780 V)

 

b)      sodium :

- Na⁺/Na (s)    (E°= -2,714 V)

 

c)      fer :

- Fe³⁺/Fe²⁺   (E°= 0,771 V)

- Fe²⁺/Fe(s)    (E°= -0,44 V)

 

d)      cuivre :

- Cu²⁺/Cu (s)    (E°= 0,340 V)

 

e)      sulfate :

- SO₄^2-/SO₂ (aq)    (E°= 0,170 V)

 

f)       chlorure :

- Cl_2(g)/Cl^-     (E°= 1,36 V)

 

g)      calcium :

- Ca²⁺/Ca (s)    (E°= -2,84 V)

 

 

C) Potentiels d’oxydoréduction

 

La référence du potentiel d'oxydoréduction est celui de l'eau pure, conventionnellement fixé à zéro. Dans une réaction d’oxydoréduction, l’oxydant du couple ayant le plus grand potentiel réagit avec le réducteur du couple ayant le plus petit potentiel. Mais inversement dans la plupart des cas on se rend compte que l’oxydant du couple ayant le plus grand potentiel ne peut pas, ou que rarement réagir avec le réducteur du couple ayant le plus petit réducteur. Ainsi à l’aide des potentiels d’oxydoréduction on peut prévoir quels éléments peuvent réagir ensemble dans le cadre d’une réaction oxydant-réductrice.

 

Couples	Potentiels (en Volts)	Espèces pouvant réagir ensemble	Espèces ne pouvant pas réagir ensemble
SiO32-/Si (s) Na+/Na (s)	-0,455 -2,714	SiO32- + Na(s)	Si (s) + Na+
SiO32-/Si (s) Fe3+/Fe2+	-0,455 0,771	Si (s) + Fe3+	SiO32- + Fe2+
SiO32-/Si (s) Fe2+/Fe (s)	-0,455 -0,44	Si (s) + Fe2+	SiO32- + Fe(s)
SiO32-/Si (s) Cu2+/Cu(s)	-0,455 0,340	Si (s) + Cu2+	SiO32- + Cu(s)
SiO32-/Si (s) SO42-/SO2 (aq)	-0,455 0,170	Si (s) + SO42-	SiO32- + SO2(aq)
SiO32-/Si (s)  Cl2(g)/Cl-	-0,455 1,36	Si (s) + Cl2(g)	SiO32- + Cl-
SiO32-/Si (s) Ca2+/Ca (s)	-0,455 -2,84	SiO32- + Ca(s)	Si (s) + Ca2+

 

 

La silice Si(s) ne faisant pas partie des éléments présents en solution à l'état initial, les sels métalliques avec lesquels elle peut réagir ne croissent pas grâce au principe d'oxydo-réduction. On en a déduit à ce moment-là que l'exploitation de la piste de l'oxydo-réduction était vaine.

 

- Dégagement gazeux -

 

Quand nous avons effectué l'expérience même du jardin chimique, nous avons remarqué la formation de bulles à l'extrémité des tubulures et excroissances. Nous avons alors supposé qu'elles avaient un rôle important, et même qu'elles contenaient un gaz qui se dégageait durant la réaction, le recueuil et l'identification de ce gaz nous auraient permis de compléter notre explication chimique.

 

Nous avons effectué des tests pour savoir si des gaz étaient dégagés pendant l’expérience, selon un protocole expérimental précis : on versait la solution de silicate de soude et les différents sels métalliques dans un erlenmeyer , lui-même bouché grâce à un dispositif qui permettait la restitution du gaz supposé dégagé dans un tube à essai (cf. schéma « Restitution du gaz »).

 

 

Ensuite nous bouchions l’éprouvette pour éviter une perte de gaz. Pour tester la présence de gaz dans le tube à essai nous avons effectué trois expériences, qui révélaient la présence de dioxyde de carbone CO2(g), de dihydrogène H2(g), ou de dioxygène O2(g) : le trouble de l’eau de chaux révélait la présence de dioxyde de carbone, « l’aboiement » de l’allumette la présence de dihydrogène et le rallumage du bâton incandescent la présence de dioxygène.

 

 

L’eau de chaux ne s’est pas troublée, l’allumette n’a pas « aboyé » et le bâton incandescent ne s’est pas rallumé : aucun des trois gaz n’a été détecté. Cependant il est possible qu'aucun gaz n'ait été détecté en raison de sa trop faible concentration.

 

Comme celle d'un dégagement gazeux, la recherche d'une réaction chimique n'a pas aboûti. Ces recherches ont occupé dans notre TPE un temps considérable et nous ont parut vaines. 

 

La cristallogénèse est la formation d'un cristal en milieu naturel ou, comme ici de manière expérimentale. Nous allons donc créer un cristal à partir d'une solution très concentrée (ici un cristal de sulfate de cuivre).

 

Protocole Expérimental :

• Dissoudre une quantité important de sulfate de cuivre pentahydraté gans une solution d'eau distilée portée à ébulition jusqu'à saturation (par exemple 70g pour 100mL).
• Filtrer la solution pour éviter les impuretés.
• Verser dans un cristallisoir, à l'abris des vibration.
• Attendre plusieurs heures voire plusieurs jours.

 

Résultat :

Le résultat n'est pas très satisfaisant la première fois car cela ne forme pas un gros cristal mais plusieurs petits. En réitérant l'expérience nous parvenons a obtenir des gros cristaux.

Chlorure de Fer III

 

Sulfate de Fer II

 

Sulfate de cuivre pentahydraté

 

Mise en évidence de la paroi amorphe

 

 Expérience dans des tubes à essai

 

FeCl3+

 

FeCl3+

 

CuSO4

 

 CuSO4 (bleu)

 

Fe3+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Action bulle (CuSO4)