Sujet sans enseignement de mathématiques spécifique
Enseignement scientifique première
Durée 1h – 10 points – Thème « Une longue histoire de la matière »
La silice de formule chimique SiO2 entre dans la composition de nombreux minéraux (quartz, etc.). La silice représente 60,6 % de la masse de la croûte terrestre continentale. De nombreuses roches sont constituées de silice (granite, basalte, gabbro, etc.) et l’étude des différentes structures possibles permet d’en savoir plus sur les conditions de formation des roches.
Le verre utilisé dans l’industrie est un solide non cristallin (amorphe), dur, fragile (cassant) et transparent. Sa composition chimique contient une part importante de silice.
Partie A – La silice : une structure amorphe ou cristalline
Document 1 – Deux structures en coupe de la silice
● : Atome de silicium
○ : Atome d’oxygène
Source : d’après CHAGUETMI, Salem (2010), Élaboration et caractérisation de nouveaux verres de fluorohafnates de strontium et de phosphosulfates. Thèse, Université Mohamed Khider Biskra http://thesis.univ-biskra.dz/1006/3/Chapitre%201.pdf
1 – La figure du document 1 montre deux structures possibles de la silice. L’une d’elles est dite cristalline, l’autre amorphe (verre). Préciser la représentation, a ou b, qui correspond à une structure cristalline. Justifier le choix.
Les cristaux sont des édifices chimiques possédant une structure en trois dimensions parfaitement ordonnées.
La structure cristalline est donc la a.
À partir de deux échantillons identiques de silice liquide, on peut obtenir soit un verre, soit un cristal selon la vitesse de refroidissement.
Document 2 – Évolution du volume d’un échantillon de silice lors d’un changement d’état
2 – Comparer qualitativement les volumes des deux échantillons obtenus (verre ou cristal) à la température de 1400 K.
A la température de 1400 K le volume du verre est supérieur au volume du cristal.
3 – Proposer une explication à cette différence de volume à l’aide du document 1.
La structure du cristal est ordonnée alors que celle du verre est désordonnée.
Comme la structure cristalline est organisée, elle occupe « moins de place » que la structure amorphe. Ce schéma est en 2D mais nous pouvons extrapoler le raisonnement à la 3D et donc conclure que l’organisation de la structure cristalline induit un volume réduit pas rapport à la structure amorphe.
Partie B – Granite, basalte et gabbro
Granite, basalte et gabbro sont trois roches magmatiques. Le granite est une roche de la croûte continentale tandis que le basalte et le gabbro sont deux roches qui constituent principalement la croûte océanique.
Document 3 – Du granite aux entités chimiques
Source : https://lithotheque.ens-lyon.fr/Lithotheque et https://libmol.org/minusc
4 – Associer l’un des mots suivants à chaque intitulé d’image en gras du document 3 : maille, roche, cristal, minéral.
Granite : Roche
Quartz : Minéral
Structure élémentaire SiO2 : Maille
Document 4 – Un modèle de l’influence des conditions de refroidissement sur la cristallisation
De la poudre de vanilline a été déposée sur une lame, recouverte d’une lamelle, chauffée jusqu’à devenir liquide, puis refroidie. Les résultats sont observés au microscope polarisant.
Source : d’après l’auteur
Document 5 – Lame de basalte (à gauche) et lame de gabbro (à droite) observées en lumière polarisée non analysée
Source : https://lithotheque.ens-lyon.fr/Lithotheque
5 – À partir de l’analyse des documents 4 et 5, expliquer la différence de structure observée pour ces deux roches magmatiques que sont le basalte et le gabbro.
D’après le document 4, on observe qu’un refroidissement lent (bord du réchaud) permet d’obtenir des cristaux très gros, alors qu’un refroidissement rapide (sur la glace) permet d’obtenir de très petits cristaux. Cette observation est faite sur un produit organique, mais nous savons aussi que c’est le cas pour des substances minérales, même si les températures sont différentes.
D’après le document 5, en observant les images, on voit que le gabbro présente des cristaux plus gros que le basalte (à gauche).
Par analogie avec le document 4, on peut dire que le gabbro s’est refroidi plus lentement que le basalte. C’est la vitesse de refroidissement qui explique la différence entre ces deux roches magmatiques.