Chapitre 1 : structures ordonnées dans notre quotidien
I) Les cristaux
1. Différents types de solides
Il existe dans notre environnement un grand nombre de solides d'aspects et de
structures très différents. Certains de ces solides sont des roches, constituées d’une
association d’un ou plusieurs minéraux.
Si ces minéraux présentent des signes d'organisation au niveau microscopique, on
qualifie alors la roche de cristalline.
Si au contraire le minéral n'est qu'un état liquide figé, on le nomme qualifie alors
d'amorphe (ex : le verre). Il ne présente aucune organisation particulière à l'état
microscopique.
Dans de nombreux cas, les cristaux font également partie intégrante de la structure
des êtres vivants.
2. Formation des cristaux
Suivant les conditions de pression et de température,
l'agencement des atomes peut subir une réorganisation
particulière. Deux composés peuvent donc avoir la même
formule chimique, et cristalliser de manière différente,
on les qualifie alors de polymorphes :
Ci contre, l'exemple du diamant et du graphite,
polymorphes constitués de carbone.
Dans le cas des roches magmatiques, la vitesse de
refroidissement influence la formation des cristaux: plus
le refroidissement est lent, et plus les cristaux seront gros. Si le refroidissement est
trop rapide, ces roches vont alors contenir du verre.
3. Structure des réseaux cristallins
L'aspect d'un cristal à l'échelle macroscopique est une conséquence de sa structure
cristalline à l'échelle microscopique.
On dénombre 7 systèmes cristallins dans la nature. Cette année, nous n'étudierons
que la structure cubique.
4. Les structures cubiques
Il existe plusieurs sortes de structures cubiques. Nous avons vu l'exemple de la structure
cubique simple et de la structure cubique à faces centrées. Ces appellations viennent
de la structure du motif répétable de ces cristaux, que l'on appelle maille.
On représente souvent la maille en modèle éclaté, et en perspective cavalière pour
mieux voir les atomes. En réalité, les atomes sont en contact avec leurs plus proches
voisins comme dans le modèle compact. Attention, dans certains cas le plus proche voisin
se situe suivant le coté, dans d'autres ce sera suivant la diagonale.
5. Calculer la compacité d'un cristal
La compacité est le pourcentage de la maille rempli par les atomes du cristal. Le calcul
suppose de connaitre la nombre d'atomes par maille (voir TP). La formule ci-dessous
suppose que les atomes sont des sphères de rayon r, et que la maille est un cube dont la
longueur du coté vaut a.
6. Calculer la masse volumique d'un cristal
La masse volumique d'un cristal s'obtient en
divisant la masse des atomes constituant la
maille par le volume de la maille.
Il faut faire attention aux unités lors de ce
calcul car en fonction des problèmes on peut
travailler en kg.m-3 ou en g.cm-3.
II)La cellule
1. La théorie cellulaire
Au 17e siècle, la mise au point des 1e microscopes a permis les premières observations de
cellules. Elles apparaissent comme de petits compartiments délimités par une membrane
et possédant, pour certaines, un noyau. Robert Hooke est le 1 e à les observer et il les
nomme « Cellules ».
Au 19e siècle, la répétition d’observations microscopiques similaires sur des tissus animaux
et végétaux permet de comprendre le concept général de cellule et de découvrir l’unité
cellulaire.
La théorie cellulaire s’énonce en 3 principes :
- La cellule est la plus petite entité vivante
- Tout être vivant est composé de cellules (une ou plusieurs)
- Toute cellule provient d’une autre cellule
2. La microscopie et l'exploration des cellules
Le perfectionnement des techniques de microscopie optique au cours du 20e siècle a
permis d’atteindre une résolution de 200 nm. L’observation des organites à l’intérieur des
cellules est alors possible (noyau, chloroplaste,…). Avec les techniques les plus récentes,
on atteint une résolution de 20 nm.
Dans les années 1940, l’invention et le développement des microscopes électroniques,
dont le pouvoir de résolution est 1000 fois supérieur à celui des microscopes optiques, a
permis l’exploration de l’intérieur de la cellule et des détails de la membrane plasmique
à l’échelle moléculaire.
3. La membrane plasmique, limite de la cellule
La cellule est un espace séparé de l’extérieur par une membrane plasmique. Cette membrane est
constituée d’une bicouche lipidique et de protéines.
La structure membranaire est stabilisée par le caractère hydrophile ou lipophile de certaines parties
des molécules constitutives de la membrane appelées phospholipides.
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Une partie est dite hydrophile si elle est capable d'établir une liaison avec des molécules
d'eau.
Une partie est dite lipophile si elle ne se positionne pas au contact de l'eau mais plutôt en
direction des graisses.
Face extracellulaire
Les protéines de la bicouche
lipidiques assurent différents
rôles tels que le transport des
molécules hydrophiles à travers
la membrane.
Face intracellulaire
4. Cellules et ordres de grandeur
Les tissus vivants peuvent s’étudier à différentes échelles.
L’évolution des connaissances concernant la cellule s’est faite parallèlement à l’évolution
des techniques de microscopie.