La minéralogie

La minéralogie
Etudier la composition chimique et la structure des minéraux.
Qu’est-ce qu’un cristal ?
C’est un solide naturel et homogène, il est limité par des surfaces plus ou moins planes avec
des angles bien définis.
120°
Quartz
La structure atomique bien définie, ordonnée, périodique, composition chimique définie.
Quartz : SiO2 Silex : SiO2 Opale : SiO2 Olivine (Mg, Fe) : SiO4
Comment différencier les minéraux ?
Forme
On définit un certain nombre de mailles cristallines.
Ex : 2D
Dans la nature il y a 7 volumes de bases qui permettent de recouvrir tout l’espace.
Système 3D permettant de définir le réseau.
β
α
γ
Le système cubique
a=b=c
γ = α = β = 90°
1
La symétrie axiale
Axe d’ordre 2 (180°)
Axe d’ordre 3 (120°)
Axe d’ordre 4 (90°)
Axe d’ordre 6 (60°)
Plan de symétrie :
-
Plan perpendiculaire à un axe d’ordre Y est dit plan d’ordre X.
3 Plans d’ordre 4 = M4
3 Axes d’ordre 4
6A2 et 6M2
2
Axe d’ordre A3
4A3 4M3
Le cube possède donc :
3A4, 4A3, 6A2, 6M2, 6M4 et un centre de symétrie.
Exemple : pyrite (FeS2), Halite (NaCl), le diamant (C)
Grenat : un cube avec les coins coupés.
-
quadratique : prisme à base carré
orthorhombique : prisme droit à base rectangulaire (3 paires de rectangle)
hexagonale : prisme droit à base hexagonale (quartz)
rhomboédrique : toutes les faces sont des losanges égaux. (calcite)
monoclinique : prisme oblique (orthose / mica) des parallélogrammes
triclinique : que des parallélogrammes égaux 2 à 2.
Dureté :
Elle se mesure avec l’échelle de Mohs
Principe : un minéral de dureté 5 raye ceux de dureté 1→4.
8 raye 1→7
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Talc – Gypse – Calcite – Fluorite – Apatite – Orthose – Quartz – Topaze – Corindon – Diamant
Attention : l’échelle n’est pas linéaire (c’est exponentiel)
Ex : l’ongle a une dureté de 2-2,5
Une lame de couteau suisse 6-6,5
La densité
Dépend de la composition chimique et de la structure du minéral.
Calcite 2,7
Quartz 2,5
Olivine 3,27 – 4,3
La composition chimique (8 familles)
-
éléments natifs
sulfures (S-)
sulfates (SO42-)
phosphates (PO43-)
silicates
carbonates (CO32-)
halogénures
-
oxydes et hydroxydes
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Comment décrit on les minéraux ?
 Composition chimique
 Caractéristique physique
- forme : mailles élémentaires (7 mailles : a, b, c et α, β, γ symétrie)
- densité
- dureté
- éclat
- couleur
- transparence
- goût
- toucher
Les indices de Miller = servent à définir les plans des cristaux.
1. on regarde où passe le plan sur les 3 axes en multiple de a, b, c. 1.a, 1.b, 1.c.
2. on prend l’inverse de ces coefficients 1/1, 1/1, 1/1. 1, 1, 1
3. on réduit les fractions. Indice du plan (rouge) (1, 1, 1)
Ex : 2
1/2a, 1/2b, 1/2c.
On prend l’inverse → 2, 2, 2
On divise par le plus grand multiple commun.
→ Les indices de Miller définissent une série de plans parallèles.
Exercices :
c
1) ½, ½, 1
2) 2, 2, 1
3) indice (2, 2, 1)
b
a
c
1) 1, inf, 1
2) 1, 0, 1
b
4
a
3) indice (1, 0, 1)
c
1) inf, inf, 1
2) 0, 0, 1
3) indice (1, 0, 1)
b
a
La trace :
On frotte le minéral sur une porcelaine dépolie et on regarde la couleur de la trace.
Pourquoi l pyrite (sulfure de fer) fait un cube.
Les liaisons interatomiques
→ Ioniques : force entre un cation un anion
→ Covalences : mise en commun d’électrons entre des atomes voisins.
→ Métalliques : comme ioniques mais tous les atomes sont semblables.
→ Van der Walls : liaisons lâches entre atomes neutres.
La coordination
Atour de chaque cation il y a un certain nombre d’anions. Ce nombre est le nombre de
coordination.
Il dépend du rapport rayon du cation/rayon de l’anion. Rc/Ra.
Les formes :
R/ra
1 à 0,73
0,73 à 0,41
0,41 à 0,22
Type
Octocoordination
Hexacoordination
Tetracoordination
Forme
Cube
Octaèdre
Tétraèdre
Elément
Na, Ca
Al, Fe, Mg
Si, Al
Exemple :
SiO4 est une tétraèdre avec le silicium au centre et 4 atomes d’oxygène aux angles du
tétraèdre.
On peut mettre certains cations par paires : Si4+ / Al3+
Mg2+/Fe2+
Ca2+/Na+
Chaque cation de la paire à un rayon plus ou moins similaire.
Il y a une charge
négative supplémentaire
Pour pouvoir substituer un ion par un autre il faut qu’ils aient la même taille (± 15%)
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Il faut que la charge globale du cristal reste neutre.
La classification des minéraux
1) Les éléments natifs : on les trouve seule, pas combinés avec d’autres éléments.
Ce sont souvent des métaux Au, Ag, Cu, Pt, …
Ou d’autres éléments : C, S, As, Bi, …
Rq : le diamant (C), le graphite (C) : on parle de polymorphisme pour deux minéraux de
même composition mais de forme cristalline différentes.
2) Les sulfures (S-/S2-)
Très nombreux.
Ex : pyrite (FeS2) on le trouve dans des filons hydrothermaux.
3) Oxydes et hydroxydes (O2- ; OH-)
Très important dans les zones superficielles de l’écorce.
- Hématite (Fe2O3) c’est le principal minerai de fer. Donne une couleur rouge vif aux
sols. C’est le type des sols fersiallitiques (climat méditerranéen)
- Goethite (FeO(OH)) maille orthorhombique, produit d’altération de nombreux
minéraux riche en Fer très présent dans nos sols bruns. Fe (OH)3.
- Gibbsite Al (OH)3 produit d’altération des minerais, d’aluminium, principal
composant de la bauxite. Très important dans les sols des climats tropicaux et
équatoriaux.
- Corindon : (Al2O3), formé à haute température très dur, rouge (rubis), bleu (saphir)
- Magnétite (Fe3O4) ; pyrolusite (MnO2) ; Manganite (MnO (OH)) ; rutile (TiO2)
4) Halogénures (Cl-/F-/I-)
-
Halite (NaCl) = sel de cuisine. Maille cubique. Minéral issu de l’évaporation de l’eau.
Sylvite KCl : aussi évaporitique, réserve de K pour la fabrication d’engrais.
Sylvinite : mélange de KCl et NaCl.
5) Carbonates CO3- / Nitrates NO3-
La calcite (CaCO3) réagit à HCl. Avec dégagement de CO2. c’est le composé principal
des roches sédimentaires.
La dolomite (Ca Mg CO3) ne réagit à l’HCl qu’a chaud. Coquille escargot = calcite.
Le salpêtre KNO3 / nitrate de soude (NaNO3)
6) Phosphates
Apatite (Ca5 (PO4)3 (F, Cl, OH)) → Fluorapatite, Chlorapatite, hydroxyapatite)
Utilisé pour fabriquer les engrais phosphatés.
7) Sulfates
-
Gypse (Ca SO4 2H2O) sulfate de calcium.
6
-
Anhydrite (CaSO4) sulfate de calcium déshydraté. Minéral évaporitique pas de
réactions à HCl.
8) Les silicates
Compose environ 99% de la croûte terrestre. La forme de base est un tétraèdre SiO44-.
On peut classer les silicates par famille suivant l’arrangement des tétraèdres.
- Tétraèdres isolés = mésosilicate (SiO4)
Ex : olivine (Mg, Fe)2 SiO4
C’est le principal composant des péridotites qui composent le manteau terrestre et les croûtes
océaniques. L’olivine est une série :
On peut substituer Mg et Fe → il peut y avoir toutes les compositions entre 100% de Fe2SiO4
(Fayolites) à 100% de Mg2SO4 (Fostérites).
Fayolite et fosterite sont les bornes de la série des olivines. On trouve l’olivine dans les roches
basiques et ultrabasique.
Autre mésosilicates : Zircon (ZrSiO4) grenat.
- Les silicates en chaînes = inosilicates
Chaînes simples pyroxènes SiO32- / Si2O64Chaînes doubles amphibole Si4O116- Les silicates en feuillets : phyllosilicates
Les argiles qui constituent les sols sont des phyllosilicates. Si4O104-
Les tectosilicates : silicates en 3D constituant du granit. (Orthose, albite) SiO20
-
Phyllosilicates :
Silicates formés de feuillet et chaque feuillet comporte un certain nombre de couche.
2 types de couche :
- Tétraédrique = constituées de tétraèdres (SiO4)
- Octaédrique = constituées d’octaèdre Al (OH)63Mica :
-
Mica blanc : muscovite, peu altérable, ne contient pas de fer, ni de Mg.
Mica noir : biotite, facilement altérable, contient du fer.
Argiles minéralogiques :
- A deux couches : Te Oc = Kaolinite
Entre 2 feuillets un espace de 7Λ
- A trois couches : illite, montmorillonite (smectite) vermiculite.
- A quatre couches : chlorites
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-
Tectosilicates
-
Orthose = K Al Si3O8 (1 Al qui remplace 1 Si, une charge négative
compensée par K+)
Albite = Na Al Si3O8
Anorthite = Ca Al Si3O8 (2 substitutions composé par Ca2+)
Orthose + Albite → Feldspath alcalin (potassique)
Albite → Anorthite → Feldspath calcosodique
→ série de plagioclase
On garde la même structure cristalline et on remplit avec Na au Ca.
(Fe, Mg) SiO4.
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