Concepts clés
Chimie
Solubilité
Saturation
Cristaux
Purification
Introduction
Vous êtes-vous déjà demandé comment les cristaux sont fabriqués ? Les cristaux se présentent sous des formes et des tailles très différentes. Cependant, les cristaux les plus purs et les plus propres sont généralement aussi ceux qui atteignent la plus grande taille. Dans cette activité, vous allez comparer la taille et la forme de cristaux cultivés à différentes températures. Avec seulement de l’eau et du borax, un produit d’entretien ménager, vous pourrez découvrir la méthode pour faire pousser de grands cristaux purs !
Contexte
Des réactions chimiques se produisent constamment tout autour de vous – et en vous. Par exemple, une réaction chimique peut transformer un métal en rouille rouge-brun (le fer du métal réagit avec l’oxygène de l’air ou de l’eau, et le produit final est ce que nous reconnaissons comme de la rouille). Les chimistes effectuent des réactions chimiques pour transformer un composé chimique en un autre. Parfois, lorsque plusieurs produits sont formés, le chimiste peut vouloir séparer un composé des autres. L’une des façons d’y parvenir est d’utiliser un processus appelé recristallisation, qui consiste à dissoudre une solution de composés dans de l’eau chaude, puis à la refroidir. En refroidissant, une substance se cristallise (devient des cristaux), et peut être retirée du reste du liquide, qui contient l’autre composé.
Pourquoi des cristaux apparaissent-ils lorsque le mélange refroidit ? Cela a à voir avec la solubilité, ou la plus grande quantité de quelque chose qui peut être dissoute dans quelque chose d’autre, comme dissoudre le produit de nettoyage en poudre, le Borax, dans l’eau. La solubilité de la plupart des solides augmente avec la température. En d’autres termes, il est possible de dissoudre davantage de borax dans l’eau chaude que dans l’eau froide. Ainsi, si un mélange chaud et saturé est refroidi, il y a plus de Borax que ne peut en contenir l’eau plus froide, et le Borax peut donc tomber du mélange, formant des cristaux.
Matériels
– Grand bol
– Glaçons
– Eau
– Ficelle
– Ciseaux
– Deux crayons
– Deux bocaux ou grands verres à boire identiques
– Marmite
– Borax, également appelé nettoyant ménager de l’équipe 20-Mule. On peut le trouver dans l’allée des produits de nettoyage de nombreuses épiceries. (Soyez prudent lorsque vous manipulez des nettoyants – ils peuvent endommager la peau et les yeux, et ne doivent pas être inhalés.)
– Cuillère à mesurer
– Film plastique
Préparation
– Remplissez le grand bol à moitié de glaçons, puis ajoutez de l’eau jusqu’à ce que le bol soit rempli aux trois quarts.
– Coupez deux morceaux de ficelle (ils doivent être au moins aussi longs que la hauteur des bocaux ou des grands verres à boire). Attachez l’extrémité d’une ficelle autour de chacun des deux crayons. Ajustez la longueur des ficelles de façon à ce que, lorsque le crayon est posé en travers du haut de l’un des bocaux ou des grands verres à boire, l’extrémité de la ficelle pende juste au-dessus du fond du bocal. Faites en sorte que les ficelles soient de même longueur.
– Le borax est nocif s’il est avalé, inhalé ou entre en contact avec les yeux et, en de rares occasions, le toucher peut provoquer des éruptions cutanées. La prudence et la surveillance d’un adulte sont conseillées lors de sa manipulation.
Procédure
– Remplissez une marmite avec suffisamment d’eau pour remplir les deux bocaux presque entièrement. Ensuite, portez cette eau à ébullition sur la cuisinière. Une fois l’eau bouillante, éteignez le brûleur pour que l’eau cesse de bouillir. (Comme le Borax est nocif s’il est inhalé ou entre en contact avec les yeux, il est conseillé de ne pas le dissoudre avec de l’eau bouillante.)
– Ajoutez une cuillère à soupe de Borax à l’eau et remuez jusqu’à ce qu’il se dissolve. Continuez à ajouter une cuillère à soupe à la fois jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de dissolution. Vous aurez probablement besoin d’environ trois cuillères à soupe de Borax pour chaque tasse d’eau. A quoi ressemble la solution saturée?
– Versez soigneusement des quantités égales de la solution saturée de Borax dans les deux bocaux. Chaque bocal doit être rempli aux trois quarts environ.
– Posez un crayon en travers du haut de chaque bocal de façon à ce que la ficelle pende dans la solution saturée.
– Recouvrez le haut des bocaux d’une pellicule plastique.
– Laissez un bocal non dérangé sur un comptoir ou une table à température ambiante. Placez le second bocal dans le bol rempli de glace que vous avez préparé. Si nécessaire, ajustez le niveau d’eau dans le bol pour que l’eau atteigne au moins les trois quarts de la hauteur du bocal, mais ne soit pas si haute qu’elle entre dans le bocal.
– Ne dérangez pas les bocaux pendant au moins cinq heures. Vérifiez régulièrement le bol de glace et ajoutez de la glace si elle a fondu.
– Vérifiez les bocaux environ une fois par heure pour voir comment les cristaux se forment. Il peut être difficile d’observer le bocal dans le bol – essayez de regarder la ficelle à travers la couverture en film plastique. Voyez-vous des cristaux se former sur le côté de l’un des bocaux ? Les cristaux se forment-ils dans un bocal avant l’autre ?
– Après au moins cinq heures, retirez soigneusement les crayons et observez les cristaux sur les ficelles. Comment la taille, la forme et le nombre de cristaux sur chaque ficelle se comparent-ils les uns aux autres ? Pourquoi pensez-vous que c’est le cas ?
– Extra : Dans cette activité, vous avez examiné la formation de cristaux de Borax à deux températures différentes, mais vous pourriez aussi essayer d’autres températures ; une façon de faire est de mettre l’un des bocaux au réfrigérateur. Comment le fait de laisser refroidir le mélange de borax à une température différente affecte-t-il la formation des cristaux ? Essayez de fabriquer des cristaux à partir d’autres matériaux, comme le sucre ou le sel. Comment les cristaux se forment-ils en utilisant d’autres mélanges avec de l’eau ?
– Extra : Tu as fait cette activité pendant au moins cinq heures. Comment vos résultats changent-ils si vous faites pousser vos cristaux pendant une période plus longue ? Veillez à continuer à ajouter des glaçons dans le bain-marie pour le maintenir au frais tout au long de l’activité.
Observations et résultats
Des cristaux plus petits et plus abondants se sont-ils formés dans le bocal et sur la ficelle dans le bol d’eau glacée, alors que des cristaux plus grands, moins nombreux et de meilleure forme se sont formés dans le bocal à température ambiante ?
Lorsque le mélange chaud et saturé de borax et d’eau s’est refroidi, il y avait plus de borax que ne pouvait en contenir l’eau plus froide, et donc ce borax est tombé du mélange et a formé des cristaux. Un cristal est constitué de molécules d’un produit qui se sont assemblées selon un schéma spécifique et répété. Lorsque les molécules du cristal s’assemblent, les autres produits, souvent considérés comme des impuretés ou des produits indésirables de la réaction chimique, ne s’intègrent pas bien dans la structure, un peu comme la mauvaise pièce d’un puzzle. Si les cristaux se forment assez lentement, les impuretés seront rejetées parce qu’elles ne s’adaptent pas correctement, et resteront dans l’eau. C’est pourquoi les cristaux dans le bocal à température ambiante auraient dû être plus grands et plus cubiques. Mais si une solution est refroidie trop rapidement, les impuretés n’ont pas le temps d’être expulsées et sont piégées dans la structure cristalline, ce qui perturbe le modèle. Par conséquent, les cristaux dans le bol d’eau glacée auraient dû se former plus rapidement et en plus grand nombre, mais ils étaient plus petits et de forme moins cubique parce qu’ils contenaient plus d’impuretés.
Plus à explorer
Cristallisation , du département de chimie et de biochimie de l’Université du Colorado à Boulder
Comment faire pousser de grands cristaux : Tips, Tricks and Techniques , de About.com
Crystal Chemistry ( pdf ), de la Royal Society of Chemistry
Crazy Crystal Creations : How to Grow the Best and the Largest Crystals , de Science Buddies
Cette activité vous est proposée en partenariat avec Science Buddies
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