Protocole pour faire croître un cristal

I - Recristallisation d'un cristal par sursaturation

II - Préparation d'un cristal d'ensemencement

III - Préparation de monocristaux

1 ) Obtenir une solution sursaturée

2 ) Croissance du monocristal

3 ) Croissance de monocristaux modifiés par la présence volontaire de contaminants

IV - Préparation du sel de Rochelle

I - Recristallisation d'un cristal par sursaturation

Pour la recristallisation, on doit préparer une solution sursaturée en substance ou sel que l'on veut cristalliser. Il y a plusieurs manières possibles. L'une d'elles consiste à chauffer le solvant, puis dissoudre autant de soluté que possible pour obtenir une solution saturée à cette température pour ensuite la laisser refroidir. La solubilité augment avec la température. Ainsi, le soluté reste entièrement en solution qui contient alors plus de soluté que la normale à cette température, ce qu'on appelle une solution sursaturée. Mais cette situation est plutôt instable. Si un solide est mis en contact ou suspendu dans la solution, le soluté en sursaturation aura tendance à se séparer de la solution et à grossir sur ce solide. De simples poussières suffisent à produire ce phénomène. Cependant une telle croissance ne serait pas contrôlée et donc à éviter (le contenant pour la recristallisation doit être couvert). Pour obtenir une croissance contrôlée, un cristal d'ensemencement ou amorce (préparé à partir de la substance ou du sel) doit être suspendu dans la solution sursaturée. Plus la différence de température affecte la solubilité, plus cette méthode fonctionne bien (ce qui n'est pas le cas du sel (chlorure de sodium ou NaCl) dont la solubilité est à peu près la même à chaud et à froid). La vitesse de cristallisation affecte directement la qualité du cristal. Plus la solution est sursaturée, plus la cristallisation sera rapide. Habituellement, les plus beaux cristaux sont obtenus avec une croissance lente.

Ainsi si on chauffe le solvant jusqu'à s'approcher de la température d'ébullition pour obtenir une solution sursaturée après refroidissement à la température de la pièce alors des cristaux peuvent très bien commencer à croître avant que la solution ait fini de refroidir. C'est là que " l'art de la science " entre en jeu. Il faut essayer plusieurs fois avant de trouver les bonnes conditions. Une seconde approche pour obtenir une sursaturation consiste à démarrer avec une solution simplement saturée et de laisser évaporer le solvant tranquillement. Cette approche est beaucoup plus lente. Les procédures ci-dessus sont valables pour la plupart des situations. Par contre, il faut veiller à utiliser le solvant approprié pour un soluté donné.

Attention, la solubilité de plusieurs sels est très sensible à la température, il faut donc contrôler la température de recristallisation le plus possible. Il n'est pas rare qu'un beau gros cristal en croissance retourne en solution à cause du chauffage s'il est laissé plusieurs jours sans surveillance.

II - Préparation d'un cristal d'ensemencement

Le but de la préparation d'un cristal d'ensemencement (ou amorce) et d'obtenir un petit cristal parfait à partir duquel on puisse faire un croître un gros monocristal.

Matériel nécessaire

- Substance à cristalliser
- Eau distillée ou déminéralisée
- Contenant large et bas (comme un plat de Pétri)
- Plaque chauffante (ou élément électrique)
- Ligne à pêche (1 à 2 kg de force)
- Bâtonnet de bois (comme un bâton de popsicle)
- Loupe

Valeurs à connaître

- La quantité de substance à utiliser (à peser sur une balance)
- La solubilité de cette substance dans l'eau à la température de la pièce (obtenue à partir d'un livre de référence de chimie par exemple)
- La solubilité de cette substance à des températures plus élevées qui peut également s'avérer utile

Marche à suivre

1. Chauffer environ 50 ml dans un contenant en verre (bêcher).
2. Dissoudre assez de la substance pour obtenir une solution saturée à cette température.
3. Transvaser la solution dans le contenant large et bas.
4. Laisser la solution refroidir à la température de la pièce.
5. Après environ une journée, des petits cristaux devraient se former.
6. Récolter quelques cristaux (les plus beaux).
7. Avec l'aide de la loupe, sélectionner un petit cristal transparent et beau.
8. Attacher ce cristal d'ensemencement avec la ligne à pêche en faisant un simple nœud.
9. Suspendre ce cristal d'ensemencement de 1 à 2 mm de profondeur dans un faible volume de solution saturée (1 à 2 ml) dans un couvercle ou un vase de Pétri (pendant un ou deux jours).
10. Vérifier que le cristal s'agrippe bien à la ligne à pêche par sa croissance autour de celle-ci. Cette étape est très importante parce que plusieurs jours de croissance peuvent être perdus si le début de la croissance n'est pas régulière ou ne suit pas la structure du cristal de départ. Il vaut mieux vérifier correctement avant de passer à la croissance du gros monocristal.

Maintenant tout est prêt pour la préparation d'un gros monocristal.

III - Préparation de monocristaux

Matériel nécessaire

- Substance à cristalliser - Un cristal de départ de la substance à cristalliser sur un fil à pêche - Eau distillée ou déminéralisée - Fil à pêche assez fort (1 kg) et un petit bâton de bois (ou de popsicle) - Thermomètre - Balance - Contenant en plastique ou en verre de 0,5 à 1 litre - Plaque chauffante et bêcher de 2 à 4 litres - Loupe ou microscope - Bain thermostaté - Moteur à révolution très lente (1 à 4 tours/jour)

Substances recommandées

Jusqu'à maintenant la Compétition de Croissance de Monocristaux de l'Institut de Chimie du Canada a utilisé seulement trois substances, c'est pourquoi nous vous recommandons d'utiliser les utiliser pour obtenir de beaux résultats.

1. Sulfate de cuivre (II) pentahydraté (copper II sulfate pentahydrate) ou pierre bleue
2. Sulfate d'aluminium et de potassium ou alun (cette substance est très populaire pour faire des expériences)
3. Tartrate de sodium et de potassium ou sel de Rochelle

Des critères de sécurité, de disponibilité et bonne croissance ont guidé ces choix. Les deux premiers sont facilement disponible auprès des fournisseurs de produits chimiques de laboratoire. Le troisième est préparé avec des produits couramment disponibles dans les épiceries. Voici d'autres substances connues pour donner de beaux monocristaux :

4. Ferricyanure de potassium (potassium ferricyanide)
5. Acétate de cuivre monohydraté (copper acetate monohydrate)
6. Acétate de calcium et cuivre hexahydraté (calcium copper acetate hexahydrate)

Valeurs à connaître

- La quantité de substance à utiliser (à peser sur une balance)
- La solubilité de cette substance dans l'eau à la température de la pièce (obtenue à partir d'un livre de référence de chimie par exemple)
- La solubilité de cette substance à des températures plus élevées qui peut également s'avérer utile

1 ) Obtenir une solution sursaturée

Les quantités de substance et d'eau à utiliser dépendent de la solubilité de cette substance dans l'eau à la température de la pièce. Des essais sont souvent nécessaires pour trouver les bonnes proportions, comme pour tous les scientifiques à leurs débuts.

Première méthode

1. Mettre environ le double de substance qui normalement se dissoudrait dans un certain volume d'eau à la température de la pièce (par exemple, si 30 g d'une substance X se dissout dans 100 ml d'eau à la température de la pièce, mettre 60 g de cette substance dans 100 ml d'eau). Ajuster les proportions selon les quantités de substance et d'eau disponibles. S'assurer d'utiliser de la vaisselle propre.
2. Brasser le mélange jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de mise en solution possible (solution saturée).
3. Continuer à brasser lentement pendant le chauffage de la solution.
4. Lorsque tout le solide est dissout, retirer le contenant de la source de chaleur.
5. Laisser la solution refroidir à la température de la pièce.

Deuxième méthode

1. Choisir un volume d'eau approprié.
2. Chauffer cette eau à environ 15 à 20 °C au-dessus de la température de la pièce.
3. Ajouter une certaine quantité de las substance et brasser jusqu'à dissolution complète.
4. Continuer à ajouter de la substance et à brasser jusqu'à ce qu'un peu de substance ne puisse se dissoudre.
5. Chauffer un peu plus pour dissoudre complètement la substance.
6. Lorsque la dissolution est complète, retirer le contenant de la source de chaleur.
7. Laisser la solution se refroidir à la température de la pièce.

Dans les deux cas on obtient une solution sursaturée nécessaire à la croissance du monocristal.

2 ) Croissance du monocristal

Puisque la solubilité d'une substance varie selon la température, il est très important de bien contrôler ce paramètre. Si la température de la pièce est stable, on peut laisser la solution sur la table, mais si elle peut varier ne serait-ce que d'un degré ou deux, il pourrait s'avérer nécessaire de placer la solution dans un bain thermostaté (si possible) à une température de quelques degrés au-dessus de celle de la pièce. Sinon, on peut placer la solution dans une glacière ce qui limitera les variations de température. De plus, pour permettre la croissance du cristal, il est absolument nécessaire que la solution soit toujours saturée à la température choisie pour la croissance (souvent la température de la pièce).

Marche à suivre

1. Suspendre doucement le cristal d'ensemencement dans la solution sursaturée en faisant bien attention de ne pas toucher le fond ou les côtés du contenant.
2. Couvrir le contenant où la croissance a lieu. Ceci permettra d'éliminer les poussières et de réduire les fluctuations de température. On peut utiliser une pellicule plastique, du papier d'aluminium ou encore une feuille poreuse (papier filtre) pour permettre l'évaporation du solvant (l'eau).
3. Observer la croissance du cristal. Selon le degré de sursaturation, la nature de la substance et la température, cela peut prendre plusieurs jours avant que la croissance ralentisse et s'arrête vraiment.

Pourquoi le cristal arrête t'il de croître ?
Un cristal va croître seulement si la solution qui l'entoure est sursaturée. Quand la solution devient seulement saturée, la croissance du cristal ne peut plus se faire (ce n'est peut-être pas absolument vrai, une petite quantité à la surface va se dissoudre pendant qu'une même quantité va se cristalliser à un autre endroit, on appelle cela une situation d'équilibre).

Pourquoi le cristal diminue ou disparaît t'il ?
Si le cristal a diminué ou disparu c'est parce que la solution qui l'entoure est devenue non-saturée (insaturation) et le cristal s'est dissous dans celle-ci. L'insaturation peut se produire lorsque la température d'une solution augmente de seulement quelques degrés selon les conditions (voilà pourquoi le contrôle de la température est si important).

Comment faire repartir la croissance du cristal ?
Il faut de nouveau sursaturer la solution. Cela peut être nécessaire de manière quasi-quotidienne, particulièrement si le cristal est gros. Mais avant, il faut retirer le cristal de la solution.

4a. Une façon de recréer un état de sursaturation consiste à diminuer la quantité de solvant. Cela se fait en chauffant la solution pendant un certain temps puis en la refroidissant à la température initiale (de la pièce). On peut également laisser s'évaporer tranquillement le solvant (processus plus long mais permettant souvent d'obtenir un cristal de meilleure qualité).
4b. On peut aussi chauffer légèrement la solution et dissoudre un peu plus de substance puis refroidir à la température initiale (de la pièce).
5. Chaque fois que la solution est ramenée à sursaturation, il serait approprié de "nettoyer" la surface du cristal
- en s'assurant que le cristal est sec
- en ne touchant pas le cristal avec ses doigts (manipuler avec le fil)
- en enlevant toutes les irrégularités des surfaces (souvent des excroissances)
- en enlevant tous les autres petits cristaux sur le fil
Il est recommandé de bien se nettoyer les mains après ces manipulations.
6. Resuspendre le cristal dans la solution nouvellement sursaturée.
7. Répéter les étapes 4 à 6 au besoin.
8. Pour s'assurer d'une bonne symétrie et favoriser une croissance égale, il est suggéré de faire tourner très lentement le monocristal en croissance (1 à 4 rotations par jour). Un moteur électrique effectuant de 1 à 4 rotations par jour peut être difficile à trouver (nous suggérons un ancien moteur d'enregistreur sur cylindre d'humidité/température). Cette "option" s'avère utile seulement si le monocristal devient gros.

3 ) Croissance de monocristaux modifiés par la présence volontaire de contaminants

Nous allons apprendre ici comment modifier la forme et la couleur des cristaux en ajoutant volontairement des contaminants à la solution de cristallisation. Il faut spécifier que la technique de recristallisation a été utilisée depuis de nombreuses années pour obtenir des matériaux "purs" en présence de contaminants. Quand les cristaux se forment, les particules (atomes, ions ou molécules) individuelles s'attachent ensemble formant un patron spécifique (appelé réseau cristallin). La seule manière qu'ont des particules différentes d'entrer dans ce réseau est d'imiter d'une façon quelconque les particules régulières soit par leur forme ou leur grosseur. Ainsi, l'ajout de colorant alimentaire a peu de chance de colorer un cristal incolore.

Exemple 1

Pour voir un exemple d'un changement de couleur d'un cristal, comparer les images d'un cristal d'alun pur avec celui d'alun dopé au chrome. Les ions chromiques ont une dimension comparable à certains ions de l'alun et, ainsi, n'affectent pas la régularité de la structure et la forme du cristal, seulement sa couleur est changée. L'intensité de cette couleur est fonction de la concentration en chrome.

Exemple 2

Dans le deuxième exemple, l'ajout d'ions cuivriques à une solution de sel de Rochelle va changer autant la forme que la couleur du cristal. Le cristal de sel de Rochelle pur est transparent tandis que le cristal dopé au cuivre aura toute une variété de teintes de bleu et des formes variables. Pour essayer ce phénomène il est conseillé d'utiliser une concentration pas trop élevée, comme 0,01 mol/L.

IV - Préparation du sel de Rochelle

Nous allons apprendre ici à préparer du sel de Rochelle à partir de bicarbonate de soda (aussi appelé soda à pâte baking soda) et de crème de bitartrate de potassium (ou crème de tartre), tous deux disponibles en épicerie. Cela implique deux étapes préalables (réactions chimiques) avant la croissance comme telle du cristal.

Matériel nécessaire

- 500 g de bicarbonate de sodium (NaHCO3)
- 200 g de bitartrate de potassium (KHC4H4O6)
- Four
- Plat en Pyrex
- Pot avec couvercle (genre Mason)
- Bêcher en verre (ou tasse à mesurer) de 500 ml (2 tasses)
- Poêlon avec de l'eau (distillée ou déminéralisée si possible)
- Burette graduée
- Cuillère pour brasser
- Papier filtre
- Papier essuie-tout

Marche à suivre pour la première réaction

La première réaction consiste à convertir le bicarbonate de sodium en carbonate de sodium (Na2CO3.

1. Mettre 500 g de bicarbonate de sodium dans un plat en Pyrex approprié.
2. Chauffer au four à environ 65 °C pendant une heure.
3. Augmenter la température à 120 °C et laisser le tout pour une autre heure.
4. Même chose pour 175 °C et 230 °C, pendant une heure chaque fois.
5. Retirer le plat et laisser refroidir à la température de la pièce.
6. Placer le carbonate de sodium dans un contenant hermétiquement fermé, sans humidité, jusqu'à l'utilisation.

Marche à suivre pour la première réaction

Cette étape consiste à faire réagir la crème de tartre ou bitartrate de potassium (KHC4H4O6) avec le carbonate de sodium (Na2CO3) pour obtenir le sel de Rochelle brut, tartrate de sodium et potassium (KNaC4H4O6).

1. Dans un bêcher de 500 mL, mettre en suspension 200 g maximum de bitartrate de potassium dans 250 mL d'eau (distillée ou déminéralisée si possible).
2. Mettre le bêcher dans un poêlon contenant environ 2,5 cm d'eau.
3. Chauffer l'eau dans le poêlon sans faire bouillir (sur une cuisinière ou une plaque-chauffante de laboratoire).
4. Ajouter environ 2,5 mL de carbonate de sodium au contenu du bêcher et bien mélanger. La solution devrait faire des bulles (dues au carbonate).
5. Ajouter ainsi du carbonate de sodium par petites portions jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de formation de bulles.
6. Filtrer la solution chaude avec un filtre.
7. Réduire la solution (par évaporation) à environ 400 ml en chauffant.
8. Laisser refroidir la solution (claire) au frais quelques jours.
9. Récolter les cristaux résultants par filtration ou décantation (verser la solution surnageante dans un autre contenant)
10. Assécher en épongeant avec un papier filtre propre ou un papier essuie-tout.
11. Pour un meilleur rendement, réduire de nouveau cette solution en chauffant (étape 7) et répéter les trois dernières étapes ci-dessus.

Ceci devrait donner environ 210 g de sel de Rochelle brut.

On peut alors faire recristalliser le sel de Rochelle en utilisant un petit monocristal obtenu ci-dessus ou en faisant un cristal d'ensemencement.

Il est utile de savoir qu'on peut dissoudre environ 60 g de sel de Rochelle dans 100 ml d'eau à la température ambiante. En chauffant, on peut en dissoudre plus.