Structure cristalline du sel de table

Le sel de table (chlorure de sodium)

• Le chlorure de sodium, ou sel de table, est un solide composé d'ions sodium (Na⁺) et chlorure (Cl⁻).
• Ces ions sont disposés de manière ordonnée, formant une structure cristalline.
• La structure du sel reste la même, qu'il provienne de marais salants ou de mines de sel.
• Les ions s'organisent en un cube répété dans l'espace, appelé maille.

Qu'est-ce qu'un cristal ?

• Un cristal est un solide avec des atomes, ions ou molécules arrangés de manière répétitive.
• Cet arrangement périodique forme un motif qui se répète.
• La maille est représentée comme une petite boîte en forme de parallélépipède.
• La répétition de la maille dans toutes les directions crée le cristal.

La structure cristalline

• La structure cristalline dépend de la forme de la maille, du type de particules qu'elle contient (atomes, ions…) et de leur position.
• La compacité (c) mesure la proportion du volume de la maille occupée par les particules.
• La compacité est toujours inférieure à 1 car il y a toujours de l'espace vide.
• La formule de compacité est : c = (volume occupé par les particules) / (volume total de la maille).

Les structures cubiques

• Les mailles cubiques sont les plus simples, et leur taille est définie par le paramètre "a", la longueur de l'arête du cube.
• Il existe deux types principaux de mailles cubiques : simple et à faces centrées.
• La maille cubique simple a une particule à chaque coin du cube.
• La maille cubique à faces centrées a une particule à chaque coin et une au centre de chaque face.
• Une particule au coin est partagée entre 8 mailles, il faut donc compter les fractions pour déterminer le nombre total de particules par maille.

Utilité de la connaissance de la structure cristalline

• Il est possible de calculer la masse volumique du solide à partir de la taille de la maille, du nombre d'atomes par maille et de la masse d'un atome
• La connaissance de la structure d'un cristal (type de maille, compacité...) permet de calculer la compacité et la masse volumique du solide.

Arrangement des boules dans un cristal

• Dans une maille cubique simple, les boules ne sont pas serrées et occupent 52% du volume total, laissant beaucoup de vide.
• Dans une maille cubique à faces centrées, les boules sont placées aux coins et au centre des faces, occupant 74% du volume total et étant plus compactes.
• La manière dont les entités sont rangées affecte la compacité du cristal, et une structure plus compacte est souvent plus solide ou plus lourde.

Propriétés visibles (macroscopiques)

• Les propriétés visibles d'un cristal incluent sa forme extérieure, sa masse volumique et sa dureté.
• Ces propriétés sont liées à l'arrangement interne des atomes ou des ions.
• Le sel de table (NaCl) forme des cristaux cubiques en raison de la structure cubique de son arrangement ionique interne.
• Le graphite et le diamant sont faits du même atome (carbone) mais ont des propriétés différentes en raison de différents arrangements atomiques.
• Le diamant est dur et transparent, tandis que le graphite est noir et friable.

Minéraux et roches

• Un minéral est une substance naturelle avec une structure régulière et une composition chimique précise (quartz, mica, feldspath...).
• Une roche est un mélange de plusieurs minéraux différents.
• Le granite est une roche composée de différents minéraux visibles à l'œil nu.

Cristaux dans le corps humain

• Des cristaux peuvent se former naturellement dans le corps humain.
• Les calculs rénaux sont des cristaux d'oxalate de calcium qui se forment dans les reins lorsque certains sels s'accumulent.

Solides amorphes

• Certains solides, appelés amorphes, n'ont pas d'arrangement ordonné comme les cristaux.
• Ils n'ont ni maille ni structure régulière, comme le verre.
• Le verre volcanique se forme lorsque la lave refroidit très vite.
• L'obsidienne est une roche noire vitreuse faite de verre, formée lorsque le magma refroidit rapidement.

Refroidissement et structure

• Si le refroidissement est lent, les atomes ont le temps de s'organiser en cristal.
• Si le refroidissement est rapide, les atomes n'ont pas le temps de s'organiser et forment un solide amorphe.

La matière dans l'Univers : d'où elle vient ?

• L'Univers primitif, après le Big Bang, contenait principalement de l'hydrogène (et un peu d'hélium).
• L'hydrogène est l'atome le plus simple, avec un seul proton, et est le n°1 du tableau périodique.
• Toute la matière est construite à partir de cet hydrogène.

L'hydrogène, carburant des étoiles

• Les étoiles, comme le Soleil, utilisent l'hydrogène comme carburant.
• Le cœur des étoiles est extrêmement chaud et dense.
• La fusion nucléaire est le processus par lequel des atomes d'hydrogène fusionnent entre eux, libérant de l'énergie.
• Lorsque deux noyaux d'hydrogène fusionnent, ils forment un atome plus lourd, comme l'hélium.

Fusion nucléaire : fabriquer des atomes plus lourds

• La fusion nucléaire libère une grande quantité d'énergie, faisant briller les étoiles.
• Au cours de la vie d'une étoile, d'autres atomes plus lourds se forment, comme le carbone, l'oxygène et le fer.
• Ce processus est appelé nucléosynthèse.
• Les protons dans les noyaux se repoussent normalement, mais une interaction forte à l'intérieur des étoiles les maintient ensemble, permettant la fusion de se produire.
• Parfois, lors d'une fusion, une petite particule est éjectée, comme un proton ou un neutron.
• En fin de vie, une étoile peut produire des atomes plus lourds que le fer lors d'une explosion (supernova).
• Tous les atomes qui nous entourent (carbone, oxygène, fer, etc.) ont été fabriqués au cœur des étoiles.

La fission

• La fission est l'inverse de la fusion, consistant à casser un noyau lourd (comme l'uranium) en deux noyaux plus petits, libérant également de l'énergie.
• Un exemple est lorsqu'un neutron frappe un noyau d'uranium 235, le divisant en deux morceaux (ex : xénon et strontium) et des neutrons supplémentaires.
• La fission est utilisée dans les centrales nucléaires et les bombes atomiques.

Eléments les plus présents dans l'Univers

• L'hydrogène est l'élément le plus abondant (plus de 90 % des atomes).
• L'hélium arrive juste après l'hydrogène.
• Ensemble, l'hydrogène et l'hélium constituent la quasi-totalité de la matière dans l'Univers.
• On trouve ensuite de l'oxygène, du carbone et de l'azote, mais en quantités beaucoup plus petites.

Composition de la Terre

• Sur Terre, les éléments les plus présents sont l'oxygène, le fer, le silicium et le magnésium.
• La composition chimique varie selon l'endroit (noyau terrestre, atmosphère, manteau...).
• Dans le corps humain, les principaux éléments sont l'oxygène, le carbone, l'hydrogène et l'azote (CHON), appelés les briques de la vie.

L'origine des éléments chimiques

• Après le Big Bang, l'Univers était extrêmement chaud et dense.
• Les premières particules ont fusionné pour former les premiers noyaux d'atomes comme l'hydrogène, le deutérium et l'hélium.
• Les éléments lourds (comme le fer et le carbone) se forment plus tard.

Nucléosynthèse stellaire

• Au sein des étoiles, la chaleur intense provoque la fusion des atomes.
• Les étoiles transforment d'abord l'hydrogène en hélium.
• En vieillissant, les étoiles fabriquent des éléments plus lourds comme le carbone, l'oxygène et l'azote.
• Les très grosses étoiles explosent en supernova, créant des éléments encore plus lourds comme le fer, l'or et l'uranium.
• Les étoiles fabriquent les éléments, les envoient dans l'espace lors de leurs explosions, et les planètes (y compris nous) sont faites de cette matière.

Les noyaux radioactifs

• En 1896, Henri Becquerel a découvert que certains matériaux (comme l'uranium) émettent naturellement des rayonnements.
• Marie Curie a étudié ce phénomène appelé radioactivité.

Foncionnement de la radioactivité

• Certains noyaux atomiques sont instables, ayant un excès de protons ou de neutrons.
• Ces noyaux se transforment en émettant des particules comme les particules alpha (noyaux d'hélium), les particules bêta (électrons ou positrons) ou les rayons gamma (ondes électromagnétiques).
• La désintégration radioactive est un phénomène naturel, spontané et irréversible..

La datation au carbone 14

• Les êtres vivants absorbent le carbone 14 de l'atmosphère.
• Après la mort, l'absorption cesse et le carbone 14 se désintègre progressivement.
• La mesure du carbone 14 restant permet d'estimer l'âge de fossiles ou d'objets archéologiques.
• Cette méthode est fiable jusqu'à environ 35 000 ans car la quantité de carbone 14 devient trop faible après cette période.

Radioactivité : résumé

• La radioactivité est la transformation naturelle d'un noyau instable.
• La désintégration d'un noyau individuel est imprévisible, mais le comportement d'un grand nombre de noyaux est statistiquement prévisible.
• Chaque noyau a une demi-vie, le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux se désintègrent.

L'histoire de la matière

• L'Univers est rempli de matière issue d'un petit nombre de particules après le Big Bang et organisée progressivement en atomes, molécules, planètes et êtres vivants.
• L'étude de l'Univers se fait à toutes les échelles, des atomes aux galaxies.
• Les connaissances évoluent au fil du temps.
• L'apparition de la vie est un événement important dans l'évolution de l'Univers.

Composition de la matière

• La matière est composée d'atomes, chaque élément étant un type d'atome.
• Certains atomes sont anciens, d'autres instables et de courte durée.
• Chaque élément chimique est identifié par un numéro atomique Z, correspondant au nombre de protons dans son noyau.
• Mendeleïev a classé les éléments selon leur numéro atomique dans le tableau périodique.