cristal

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Présentation

cristal, solide de matière homogène présentant une structure atomique ordonnée et définie, et une forme extérieure limitée par des surfaces lisses, planes, disposées symétriquement (faces). Un cristal se forme chaque fois qu'un solide se constitue progressivement à partir d'un fluide, que ce soit par congélation d'un liquide, par dépôt (ou précipitation) d'une substance dissoute ou par condensation directe d'un gaz. Les angles, entre faces correspondantes de deux cristaux de la même substance, sont toujours identiques, quelles que soient la taille ou les différences superficielles de forme de ces cristaux.

La plupart des matériaux solides possèdent une disposition atomique ordonnée et sont de structure cristalline. Les solides qui n'ont pas de structure cristalline, comme le verre, sont dits amorphes. Dans leur structure, ils montrent une plus grande similitude avec les liquides qu'avec les solides : ce sont des liquides surrefroidis.

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Conditions de formation

Les mêmes liquides qui se solidifient graduellement dans les profondeurs de la Terre pour former le granite sont parfois éjectés à la surface du globe sous forme de lave volcanique, et refroidissent rapidement, formant l'obsidienne, de texture vitreuse. Si le refroidissement est légèrement plus lent, il y a formation d'une roche appelée felsite, qui est cristalline, mais dont les cristaux sont trop petits pour être discernés à l'œil nu. Une telle structure est dite cryptocristalline ou aphanitique. Un refroidissement encore plus lent entraînera la formation de structures porphyriques où certains cristaux sont assez gros pour être distingués à l'œil nu. Ce type de roche, qui peut avoir la même composition que l'obsidienne, la felsite ou le granite, est appelé rhyolite.

Le granite, la rhyolite et la felsite ne sont pas homogènes et ne peuvent donc pas être composés d'un seul cristal, mais ce sont des roches cristallines. Chacun des constituants minéraux qui composent ces roches est présent sous forme de cristaux de petite taille mais homogènes. Les faces des cristaux des premières substances à s'être solidifiées lors du refroidissement des roches fondues présentent une disposition normale (perpendiculaire). Les matières qui ont un point de fusion moins élevé, et qui se sont donc solidifiées plus tard, ont été obligées d'occuper les interstices restants, ce qui leur donne un aspect extérieur déformé.

La même tendance qui impose la formation de cristaux homogènes à partir de liquides hétérogènes peut être utilisée pour purifier de nombreuses substances cristallines. Les chimistes utilisent fréquemment cette méthode, et, en particulier, pour les produits chimiques d'origine organique qui sont presque toujours purifiés par recristallisation.

Dans certains groupes minéraux, les ions d'un élément peuvent se substituer aux ions d'un autre élément, laissant la structure du cristal inchangée, mais formant, en fait, une série de solutions solides. De tels groupes, dans lesquels on observe une gradation continue de composition chimique d'un terme à l'autre, forment une série de minéraux isomorphes. Par exemple, une des variétés de feldspath, appelée plagioclase, forme une série complète dont les termes sont l'albite (aluminosilicate entièrement sodique) et l'anorthite (aluminosilicate entièrement calcique). D'autres groupes minéraux constituent des séries isomorphes : ainsi l'apatite, la barite, la calcite et le spinelle.

La croissance des cristaux nécessite la formation d'un minuscule cristal qui, pour s’agrandir, prélève, à son environnement, de manière continue, la substance dont il est composé. Parfois, en l'absence de ce premier cristal minuscule, ou amorce, la cristallisation ne se produit pas et la solution devient sursaturée, exactement de la même façon qu'un liquide qui reste liquide quand sa température descend en dessous du point de fusion est surrefroidi (voir congélation, point de). Quand un nouveau composé chimique d'origine organique est préparé, il est parfois difficile de fabriquer le premier cristal, à moins qu'on ne trouve une substance isomorphe. La tendance à cristalliser décroît avec l'accroissement de la viscosité du liquide. Si une solution est fortement sursaturée, ou surrefroidie, elle devient très visqueuse, et la cristallisation devient presque impossible. Tout nouveau refroidissement, ou évaporation, du solvant produit tout d'abord un sirop, puis un verre.

Certaines substances ont une forte tendance à former des amorces. Si une solution d'une telle substance se refroidit lentement, quelques amorces formeront de gros cristaux, mais si elle se refroidit rapidement, de nombreuses amorces se formeront et deviendront des cristaux minuscules. Le sel de table (ou chlorure de sodium de formule NaCl), purifié en usine par recristallisation, est composé d'un grand nombre de cristaux cubiques parfaits, qui sont difficilement visibles à l'œil nu. Le sel gemme (ou halite), formé par des processus géologiques lents, contient des cristaux énormes ayant cette même forme cubique.

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Cristallographie

On appelle cristallographie la science qui étudie la formation, la forme et les caractéristiques géométriques des cristaux. Quand les conditions sont favorables, chaque élément et chaque composé chimique tendent à cristalliser selon une forme définie et caractéristique. Ainsi, le sel tend à former des cristaux cubiques, mais le grenat, qui, occasionnellement, forme également des cubes, compose plus fréquemment des dodécaèdres (solides à 12 faces) ou des trisoctaèdres (solides à 24 faces). Malgré leur différence d'habitus (forme extérieure de la cristallisation), le sel et le grenat cristallisent toujours dans la même classe de symétrie et le même système cristallin. On distingue, en théorie, 32 classes de cristaux. Presque tous les minéraux communs sont répartis en douze classes, mais certaines classes n'ont jamais été observées. Ces 32 classes sont regroupées en sept systèmes cristallins, fondés sur la longueur et la disposition des axes des cristaux, lignes imaginaires passant par le centre du cristal, coupant les faces, et définissant les relations de symétrie du cristal. Les minéraux de chaque système partagent certains détails de symétrie et de forme cristalline, ainsi que de nombreuses propriétés optiques.

Ces sept systèmes de cristallisation, décrits ci-dessous, sont très importants pour les minéralogistes et les gemmologues (spécialistes des pierres précieuses) qui y recourent pour la description de chaque minéral.

3.1

Cubique

Ce système comprend des cristaux présentant trois axes, tous perpendiculaires entre eux et tous de même longueur. L'élément de base est un cube.