Point scientifique

La structure des minéraux est étudiée en classe de première S, dans le programme de Sciences Physiques et Chimie (programme 2011). Sont envisagées les notions de solide ionique et de solide moléculaire, ainsi que les interactions permettant le maintien de ces structures.

Les différents types de cristaux

Selon le type de liaisons et le type de motif répété dans le cristal on peut distinguer différents types de cristaux

Type de cristal	Forces de cohésion	Motif	Exemple
Moléculaire	Liaisons hydrogène, interactions de Van der Walls,...	Molécule	Glace (molécules d'eau assemblées par des liaisons H)
Métallique	Liaison métallique (électrons libres)	Atome métallique	Fer, Argent,...
Ionique	Force électrostatique	Ions	Sel, Quartz,...
Covalent	Liaison covalente	Atomes	Diamant, Graphite,...

Les cristaux réalisés dans le cadre de ce projet sont donc de type ionique (sel) ou de type moléculaire (saccharose)

Les solides ioniques

Dans ces solides, la cohésion est assurée par les forces électrostatiques liées aux charges portées par les cations et les anions du solide. La somme des charges est nulle. Les ions forment des empilements de cations et d'anions

Maille élémentaire d'un cristal de quartz, affichage en sphères de rayon ionique

Dans cette maille les anions oxygène (O^2-) et les cations Silicium (Si⁴⁺) sont représentés suivant leurs rayons ioniques.
On peut constater que :

les ions forment un empilement dans lequel il existe des espaces non occupés
les anions ont un rayon ionique plus important que les cations (lié à leur charge électrostatique)
les atomes de silicium sont situés sur les faces de la maille et sont donc partagés entre deux mailles voisines. Il en découle :
- Il y a 3 atomes de silicium pour 6 atomes d'oxygène (SiO₂)
- Le bilan des charges électriques de la maille est nul (3×(+4) + 6×(-2) = 0)

Les solides moléculaires

Dans ces solides, la cohésion est assurée par différentes forces dont les liaisons hydrogène. Les unités assemblées entre elles sont des molécules qui peuvent être ou non chargées.

Maille élémentaire d'un cristal de glace I, affichage des molécules en boules et bâtonnets

Dans cette maille, la cohésion est assurée par des liaisons hydrogènes entre les oxygènes qui possèdent une charge partielle négative et les atomes d'hydrogène à la charge partielle positive.

Maille élementaire d'un cristal de glace I, affichage des molécules en sphères de rayon de Van der Waals

Ce mode de visualisation montre la faible distance entre molécules d'eau voisines (du fait des liaisons hydrogène) et l'importance de l'espace restant entre ces molécules. Les sphères de Van der Waals se recoupent, à la différence des sphères de rayon ionique.