Sciences · Chimie
Cristallisation
La cristallisation est la formation d’un solide aux atomes ordonnés, le cristal, à partir d’une solution, d’un liquide fondu ou d’une vapeur. En chimie, c’est aussi une méthode de purification très utilisée.
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Les flocons de neige, le sel des marais salants, le sucre candi, les géodes d’améthyste et les comprimés de médicaments ont un point commun : ils sont issus d’une cristallisation. Dans un cristal, les atomes, ions ou molécules sont empilés selon un motif qui se répète régulièrement dans les trois directions de l’espace. Cet ordre interne donne aux cristaux leurs faces planes et leurs angles caractéristiques.
Comment se forme un cristal ?
La cristallisation se déroule en deux étapes.
- La nucléation : quelques particules s’assemblent en un minuscule germe ordonné. Ce germe doit atteindre une taille critique pour être stable ; en dessous, il se redissout. La nucléation est facilitée par une impureté, une poussière, une rayure du récipient ou un cristal déjà formé.
- La croissance : de nouvelles particules viennent se fixer sur les faces du germe, couche après couche, en respectant le motif du réseau.
La taille finale des cristaux dépend du rapport entre ces deux étapes. Une cristallisation lente forme peu de germes qui grossissent : on obtient de grands cristaux. Une cristallisation rapide forme une multitude de germes : on obtient une poudre de petits cristaux.
Les trois voies de cristallisation
| À partir de… | Moyen | Exemples |
|---|---|---|
| Une solution | évaporation du solvant ou refroidissement d’une solution saturée | sel marin, sucre, alun |
| Un liquide fondu | refroidissement sous la température de fusion | glace, métaux, granite à partir du magma |
| Une vapeur | condensation directe gaz → solide | givre, flocons de neige, soufre autour des fumerolles |
Cristallisation à partir d’une solution
Une solution ne cristallise que si elle dépasse sa solubilité, c’est-à-dire si elle devient sursaturée. On y parvient :
- en évaporant le solvant : dans les marais salants, le soleil et le vent concentrent l’eau de mer jusqu’à ce que le chlorure de sodium cristallise ;
- en refroidissant une solution saturée à chaud, pour les solides dont la solubilité baisse avec la température (sucre, alun, sulfate de cuivre) ;
- en ajoutant un autre solvant dans lequel le soluté est peu soluble.
La recristallisation, méthode de purification
C’est l’une des techniques de base du laboratoire de chimie organique pour purifier un solide.
- Dissoudre le solide impur dans un minimum de solvant chaud, choisi pour que le composé y soit très soluble à chaud et peu soluble à froid.
- Filtrer à chaud pour éliminer les impuretés insolubles.
- Laisser refroidir lentement : le composé cristallise, tandis que les impuretés, peu abondantes, restent dissoutes.
- Récupérer les cristaux par filtration sous vide, les rincer au solvant froid et les sécher.
La pureté se vérifie ensuite par la température de fusion : un corps pur fond à une température nette et tabulée ; des impuretés l’abaissent et l’étalent.
Les systèmes cristallins
Les cristaux se classent en sept systèmes selon la géométrie de leur maille élémentaire :
| Système | Exemple |
|---|---|
| Cubique | sel (halite), pyrite, diamant |
| Quadratique (tétragonal) | zircon |
| Orthorhombique | soufre α, topaze |
| Hexagonal | glace ordinaire, graphite, béryl (émeraude) |
| Trigonal (rhomboédrique) | quartz, calcite |
| Monoclinique | gypse |
| Triclinique | sulfate de cuivre pentahydraté |
Une même substance peut cristalliser sous plusieurs formes : c’est le polymorphisme. Le carbone donne le diamant et le graphite ; le carbonate de calcium, la calcite et l’aragonite. En pharmacie, deux formes cristallines d’un même principe actif peuvent se dissoudre à des vitesses différentes, ce qui change l’efficacité du médicament.
Dans la nature
- Roches magmatiques : un magma refroidi lentement en profondeur donne de gros cristaux visibles (granite) ; une lave refroidie vite en surface donne de petits cristaux (basalte) ou du verre (obsidienne). Voir les roches et minéraux.
- Évaporites : sel gemme et gypse se sont déposés par évaporation de mers anciennes.
- Géodes : des eaux chargées de silice déposent lentement des cristaux de quartz dans des cavités.
- Neige : chaque flocon cristallise à partir de la vapeur d’eau selon une symétrie hexagonale ; sa forme précise dépend de la température et de l’humidité qu’il traverse.
Dans l’industrie et la cuisine
- production du sucre de betterave et de canne par cristallisation de sirops concentrés ;
- purification des principes actifs pharmaceutiques ;
- tempérage du chocolat, qui force le beurre de cacao à cristalliser sous la bonne forme pour obtenir un chocolat brillant et cassant ;
- fabrication de monocristaux de silicium pour l’électronique par tirage lent à partir du silicium fondu (procédé Czochralski).
Questions fréquentes
Comment faire pousser des cristaux à la maison ?
Préparez une solution saturée de sel, de sucre ou d’alun dans de l’eau chaude, laissez-la refroidir et suspendez-y un fil ou un petit cristal. En quelques jours, l’évaporation lente fait croître les cristaux.
Le verre est-il un cristal ?
Non. Le verre est un solide amorphe : ses atomes sont figés dans un désordre comparable à celui d’un liquide. Le « cristal » de la vaisselle est un verre au plomb, nommé ainsi pour son éclat.
Pourquoi les cristaux ont-ils des faces planes ?
Parce que leur réseau interne est régulier : les faces correspondent à des plans d’atomes qui croissent plus lentement que les autres et finissent par délimiter le cristal.