Structure des cristaux de saccharose

Les observations des cristaux de saccharose montrent une forme différente du cube caractéristique du sel. Certains cristaux présentent des faces rectangulaires.
Les stries témoignent de la croissance cristalline par la répétition d'un même motif.
Par ailleurs, la cristallisation par chauffage est très lente (en comparaison avec celle du Chlorure de Sodium).

Cristal de saccharose au microscope polarisant en LPA

L'utilisation du logiciel MinUSc (Minéraux à Usage Scolaire) permet, comme pour la halite, de rechercher l'explication de ces propriétés à l'échelle moléculaire.

Structure de la maille cristalline

Maille élémentaire du saccharose cristallisé - boules et bâtonnets

La maille est de type monoclinique (les arêtes sont de longueurs différentes, deux des trois angles sont droits).
Cette fois-ci la maille ne contient pas des atomes indépendants, mais des molécules. Les liaisons représentées dans ce cas, sont des liaisons covalentes entre atomes.
La maille élémentaire ne contient pas de molécule de saccharose complète, mais uniquement des morceaux. Pour afficher ces molécules complètes, il faut étendre l'affichage aux mailles voisines.

Maille élémentaire du saccharose cristallisé - sphères de Van der Waals

L'affichage en "Sphères" représente les atomes selon leur rayon de Van der Waals. Il permet de visualiser les contacts entre molécules.

Interactions maintenant la structure du cristal

L'affichage des charges est sans effet, ce qui montre que les forces électrostatiques n'interviennent pas ici comme dans un cristal ionique.

Maille élémentaire de la halite - boules et bâtonnets, affichage des liaisons hydrogènes.

Des liaisons hydrogène existent entrent les molécules de saccharose. Chaque molécule établit une dizaine de liaisons de ce type avec ses voisines. Il existe aussi des liaisons intramoléculaires (2 liaisons entre atomes d'une même molécule de saccharose).

Affichage des contacts entre une molécule de saccharose (recouverte d'une surface; la couleur rouge indique les zones de contact) et ses voisines (en transparence).

Ce mode de visualisation montre les contacts s'établissant sur une seule molécule. On peut constater que la majeure partie de ces contacts implique des liaisons hydrogène.
D'autre part, ce mode de représentation met en évidence le volume occupé par une molécule de saccharose. La comparaison avec le volume occupé par les unités des cristaux ioniques (des atomes isolés) est sans équivoque.

Comment relier les propriétés de la maille cristalline aux caractéristiques de la cristallisation ?

La forme rectangulaire des faces des cristaux s'explique par la répétition d'un motif monoclinique dans les trois directions de l'espace.
La cristallisation relativement lente du saccharose peut s'expliquer par la taille de la molécule qui se déplace dans un milieu visqueux avant de prendre part à la formation d'un cristal (nucléation).
D'autre part, les forces mises en jeu dans la formation du cristal sont d'intensité beaucoup plus faibles que les forces retrouvées dans les cristaux ioniques.
Enfin, selon certains auteurs (Mathlouthi et al. 2003), la cinétique de la cristallisation du saccharose dépend principalement de la vitesse à laquelle les liaisons hydrogène entre le saccharose et l'eau présente dans le milieu se rompent pour que la nucléation puisse se produire.

Autres prolongements possibles

La vanilline est un autre exemple de molécule organique cristallisant en formant un cristal moléculaire.
La vitesse de cristallisation de ce produit permet d'envisager des observations en temps réel du phénomène.

Cristallisation d'une petite quantité de vanilline par refroidissement du produit fondu. Observation au microscope polarisant en LPA.

Les cristaux forment des baguettes croissant principalement par leur extrémité (croissance latérale du cristal très faible).

Contacts entre une molécule de vanilline et ses voisines, au sein d'une maille.

Les contacts sont répartis inégalement dans l'espace : absents dans une des trois directions du plan (la direction perpendiculaire au plan de l'écran sur cette image), il sont principalement orientés suivant un axe (vertical sur cette image) qui correspond à l'axe de croissance du cristal observé au microscope.

Remarque pour éviter les problèmes d'allergie liés à l'utilisation de la vanilline, il est possible de sceller les lames (voir ce lien).