les arbres a cristaux - rectorat de l`académie de Reims

Fête de la Science 2014 : la cristallographie
LES ARBRES A CRISTAUX
Démarche :
Pour des raisons pratiques d’organisation et du calendrier de la fête de la
science, on commencera par la séance des arbres à cristaux qui servira alors de
prétexte à s’interroger sur la matière, sur les propriétés de l’eau: et les
phénomènes d’évaporation, dissolution, saturation ; puis on s’intéressera en
suite aux séances de « Mélanges et solution » avant de poursuivre
éventuellement sur la cristallisation du sucre et du sel.
Matériel : (pour 1groupe)
• Sel à cristalliser : potassium dihydrogénophosphate (faire des sachets
d’environ 6,25 grammes par arbre)
• Sulfate d’aluminium ou poudre d’alun. (Dopant : 0,25g par sachet)
• Lunettes de protection
• Gants usage unique
• Colorant alimentaire
• Gobelets
• Barquette plastique
• Cuillère
• Thermomètre
• Verre doseur ou éprouvette graduée
• Balance électronique (éventuellement)
• Pochette plastique ou rhodoïd
Fête de la Science 2014 : la cristallographie
•
•
•
•
Papier buvard
Agrafeuse
Paire de ciseaux
Appareil photo numérique : il peut être intéressant de prendre une photo
toutes les 10 minutes et de réaliser en suite un photomontage.
Précautions de sécurité :
Le produit n’est pas dangereux, à condition de ne pas le boire. (L’expérience a
été proposée par l’Inspection académique de Grenoble et du Nord) Mais par
précaution, lors de l’opération de dissolution du dihydrogénophosphate de
potassium, il est recommandé de porter une paire de lunettes de protection et des
gants.
Introduction :
Mise en évidence de la capillarité et de l’évaporation :
1 - Capillarité :
Prendre du papier buvard.
Mettre un peu d’eau dans un récipient et ajouter du colorant alimentaire.
Découper des petites bandes de papier buvard.
Tremper la bande de buvard dans le récipient. Observer.
L’eau colorée « monte dans le papier » :c’est la capillarité.
(Note pour le maître : Le phénomène de la capillarité désigne ordinairement la
capacité de l’eau et de certains liquides à monter naturellement malgré la force
de gravité le long de tubes très fins plongés dans ces liquides. La remontée est
d’autant plus forte que le tube est fin.
La capillarité est le phénomène d'interaction qui se produit aux interfaces entre
deux liquides non miscibles, entre un liquide et l'air ou entre un liquide et une
surface. Elle est due aux forces de tension superficielle entre les différentes
phases en présence. Elle est mise en œuvre lorsque les buvards aspirent l’encre,
les éponges s’imbibent d’eau, ou quand on trempe une partie de son sucre dans
son café et que celui-ci devient tout noir .ou comment la sève des arbres peut
monter le long du tronc et des branches. )
Avec les enfants on pourra donner des exemples de capillarité facilement
observables, mais sans aller plus loin.
Fête de la Science 2014 : la cristallographie
2 – L’évaporation :
Mettre le papier buvard sur le radiateur et attendre.
Au bous de quelques instants, on constate que le buvard est tout sec.
Mais où donc l’eau est-elle passée ?
Laisser les enfants faire des propositions. Faire l’analogie avec le linge que l’on
met à sécher. Où va l’eau ?
Valider la proposition l’eau est « partie » dans l’air ; elle s’est évaporée. On
reviendra plus longuement sur le sujet lors de la récolte du sel et dans les
séances « Mélanges et solutions ».
Notes pour le maître : L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à
l'état gazeux. Ce phénomène est donc une vaporisation progressive.
1 - FABRICATION DES ARBRES A CRISTAUX :
Ces 2 observations étant faites, annoncer aux enfants qu’ils vont travailler sur
les cristaux. (Le lien avec les programmes sera fait lors des séances sur
mélanges et solutions)
Qu’est-ce qu’un cristal ? (voir dans le préambule : « qu’est-ce que la
cristallographie ? »)
Recueillir les réponses.
Pouvez-vous donner des exemples de cristaux ?
Cristaux : sucre, sel (fleur de sel), sucre candi, quartz, améthyste, neige, ….
A) Fabrication des arbres :
Réalisation du support de cristallisation : silhouette d’un arbre.
• Dessiner un modèle simple d’arbre (ou toute autre forme de votre choix)
dont la hauteur n’excède pas 12 cm dans un carton ou sur un morceau de
contreplaqué ; le découper.
• Reproduire cette forme en 6 exemplaires identiques : 4 en rhodoïd ou
pochette plastique et 2 en buvard. Les découper.
• Réaliser l’assemblage ; chaque forme buvard entre 2 formes plastiques.
Les assembler avec des agrafes.
• Inciser le haut d’une des formes et le bas de l’autre forme de façon à les
emboîter façon sapin de Noël en carton. (voir image ci-dessous)
Fête de la Science 2014 : la cristallographie
B) Réalisation de la solution de croissance :
Sécurité : mettre des lunettes de protection et porter des gants.
• Prendre de l’eau à 35°C (il peut être intéressant de prendre de l’eau à
différentes températures et de comparer les résultats)
• Mesurer 25 ml d’eau à 35°C ou peser 25g d’eau ! (Capacités, masses …)
La mettre dans un gobelet.
• Introduire petit à petit la poudre à cristalliser dans cette quantité d’eau.
• Agiter à l’aide de la cuillère jusqu’à la dissolution complète de la poudre.
• Verser quelques gouttes de colorant alimentaire (facultatif)
• Verser la solution dans la barquette en plastique.
• Déposer l’arbre (ou la forme choisie) au centre de la barquette.
C) Observons :
• Déjà, on s’aperçoit que la poudre à cristalliser a disparu dans l’eau
(comme du sucre ou du sel)
• L’eau a la particularité de dissoudre de nombreux constituants. Au cours
de la dissolution, les très petits cristaux formant une poudre solide vont se
désorganiser sous l’action de l’eau et se transformer dans un état liquide
mélangé à l’eau. Le processus est plus efficace quand l’eau est chaude.
• La solution migre (« monte ») dans l’arbre : à travers le papier buvard
(phénomène de capillarité), la solution migre jusqu’aux extrémités de
l’arbre, comme la sève dans un arbre ;
• Des cristaux vont se développer à ces extrémités grâce à l’évaporation de
l’eau contenue dans la solution.
Fête de la Science 2014 : la cristallographie
• Une très faible quantité d’un additif (alun) a été ajoutée à la poudre à
cristalliser afin d’augmenter fortement la croissance des cristaux. Ce type
de croissance rapide (quelques heures) conduit à des cristaux en forme
d’aiguille comme on l’observe aussi dans la nature avec la formation de
givre.
D) – CONSTAT :
Au bout de 6 à 7 heures les cristaux se sont formés et il n’y a plus d’eau dans la
barquette (évaporation).
E) REALISATION D’UN DIAPORAMA OU D’UN FILM :
A l’aide de petits logiciels tels « Photo-récit » ou « Movie Maker » réaliser un
diaporama ou un film montrant la formation des cristaux en accéléré.
Fête de la Science 2014 : la cristallographie
Connaissez-vous dans la nature ou tel phénomène se produit ? (marais salants)
Voir prolongements :
 Vidéo : C’est pas sorcier : « Sel de la mer à la terre »
 Comment faire « pousser » du sel ?
 Comment faire cristalliser du sucre et fabriquer des bonbons.
 Séances « mélanges et solutions »