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COURS DE CRISTALLOCHIMIE Master 1 SGM Université Polytechnique de Man 2021 - 20

COURS DE CRISTALLOCHIMIE Master 1 SGM Université Polytechnique de Man 2021 - 2022 Dr. OUATTARA Zié Enseignant-chercheur Département de Géologie et Matériaux Université de Man 0708000945 Introduction Définitions et rappels Bases de la cristallochimie Eléments chimique Forces de liaison Stéréochimie Formule chimique des minéraux Lois de substitution dans les minéraux Les éléments en trace Polymorphisme Pseudomorphoses Minéraux amorphes SOMMAIRE Quelques exemples de minéraux Objectifs du cours - Mieux connaître les éléments chimiques - Initier à l’analyse chimique des minéraux en vue de prédire leur comportement et variation de forme - Connaître les lois de substitution au sein des minéraux Prérequis Réseaux cristallins, mailles, motifs, systèmes cristallins, minéralogie, chimie, géochimie …etc. Cf. cours L1 et classes Préparatoires 1. Introduction 1- Quelles différences faites-vous entre NaCl et H2O? Expliquez-les? 2- Pensez-vous que la chimie des minéraux influe sur leur forme et leur comportement dans la nature? 1- Cristallochimie Le mot « Cristallochimie » est constitué de: ‘’Krystallos’’ signifiant glace et de Chimie. L’étude des relations existant entre la composition chimique d’un solide, l’arrangement géométrique et les forces de liaisons entre les atomes constituant le réseau. Ces relations impliquent les propriétés physiques et chimiques. C’est donc de déterminer les propriétés d’une substance en fonction de sa structure. Elle lie la cristallographie, la chimie du solide et la physique de la matière. Définitions et rappels 2- Minéral Un solide naturel, homogène, inorganique, possédant une composition chimique définie et une structure atomique ordonnée. Ainsi les propriétés d'un minéral dépendront de sa composition chimique, de l'arrangement géométrique de ses atomes ou ions constituants et de ses liaisons atomiques La minéralogie se subdivise en plusieurs domaines. Dans son approche à la géométrie du réseau et à la nature des atomes constitutifs, les domaines appropriés sont: la cristallographie, la cristallochimie, la minéralogie descriptive et déterminative, la minéralogie industrielle, …etc. Définitions et rappels 3- Atome Définitions et rappels Un atome représente la subdivision la plus petite de la matière qui conserve les caractéristiques de l'élément. Il se compose d'un noyau très petit et massif composé de protons et de neutrons qui est entouré par un espace plus grand contenant des électrons (voir tableau 1) Tableau 1 - Quelques particules atomiques 3- Atome Définitions et rappels L'atome le plus simple est celui d'hydrogène qui contient un proton et un électron. Les atomes des autres éléments naturels possèdent de 2 protons (hélium) à 92 protons (uranium). 4- Ion Les atomes possèdent le même nombre de protons et d'électrons. Cependant, les éléments dans le tableau périodique peuvent être divisés en deux groupes : ceux qui ont tendance à perdre des électrons et ceux qui sont capables de gagner des électrons. Domaines d’applications Ressources minières et pétrolières Environnement … etc 5- Historique ➢Minéralogie – Cristallographie - Cristallochimie. ➢Ingénierie développante: goniomètre de réflexion de W, Wollaston (1809), DRX de W. Friedrich, P Knipping et M Von Laue (1912). ➢V. Goldschmidt, fondateur de la cristallochimie, énonça la règle principale qui régit les composés simples « la structure cristalline d’un matériau est causée par la taille et les propriétés de polarisation de ses composants (ions ou groupes d’atomes). Définitions et rappels 1- Eléments chimiques Bases de la cristallochimie 1- Eléments chimiques … selon Goldschmidt 2- Forces de liaison La plupart des minéraux sont des composés - ils sont formés d'atomes et d'ions arrangés dans une structure cristalline. Cette structure est caractérisée par une périodicité à toutes échelles. Les atomes et les ions se combinent en proportions spécifiques et sont liés par des forces électriques qui forment des liaisons chimiques. Les types et l'intensité de ces liaisons sont largement responsables des propriétés physiques et chimiques des minéraux: couleur, dureté, clivage, densité, électroconductivité et compressibilité par exemple. 2- Forces de liaison Le décryptage de la structure des atomes permet d’identifier des volumes d’encombrement qui peuvent être représentés par des sphères dont le rayon est de l’ordre de l’angström (0,10 nm). Ces rayons atomiques sont fonction de l’élément chimique, de son état d’ionisation et de la nature de ses liaisons avec les atomes voisins. Variation du rayon: Na et Na+; Cl et Cl- Types de liaison chimiques En minéralogie, on rencontre quatre types principaux de liaisons : •ioniques •covalentes •métalliques •van der Waals Il est important de comprendre que dans les minéraux il peut exister plusieurs types de liaisons à la fois et qu'un type de liaison peut être hybride ou transitoire. Il existe différentes liaisons atomiques. Types de liaison chimiques On appelle liaison ionique, la liaison formée lorsqu'un ou plusieurs électrons d'un atome sont transférés à un autre. Le minéral résultant est neutre - la charge est égale à 0. Considérons le minéral halite, NaCl, qui est en fait le sel de cuisine. Le sodium est un métal doux et extrêmement réactif qui a un seul électron dans son orbitale extérieure. Cet électron se perd très facilement en laissant le sodium avec une charge positive et une structure semblable à celle du gaz inerte : le néon. Le chlore est un gaz nocif qui a besoin d'un électron pour avoir une structure semblable à celle du gaz inerte : l'argon Les atomes et les ions se combinent en proportions égales. Les deux ions s'attirent à cause de leurs charges opposées et forment le minéral halite, NaCl. Types de liaison chimiques En général, les cristaux qui sont créés par des liaisons ioniques sont d'une dureté et d'une densité intermédiaire; ils possèdent des points de fusion élevés et ils sont de mauvais conducteurs électriques Types de liaison chimiques Ces liaisons covalentes forment ou créent des liaisons très fortes. Dans l’exemple bien connu du diamant (C). Le carbone, C, a quatre électrons de valence dans son niveau d'énergie extérieur et peut se lier avec quatre autres atomes de carbone en formant une configuration très stable. Dans la figure ci-dessous, ces liaisons sont montrées à deux dimensions pour que l'on puisse les voir plus facilement. A trois dimensions, les atomes sont arrangés sous forme de tétraèdres dans un réseau continu. Ces liaisons créent des cristaux extrêmement stables qui possèdent des points de fusion élevés et qui sont des isolants (tous les électrons sont employés dans les liaisons covalentes et ils ne peuvent pas se déplacer pour conduire l'électricité). La liaison de Van der Waals est une liaison très faible qui lie des molécules neutres et des unités structurelles essentiellement non chargées. La liaison est faite par l'intermédiaire de petites charges électrostatiques. Cette liaison est plus faible que les liaisons ioniques, covalentes et métalliques. Le graphite, C, est un exemple d'un minéral qui possède des liaisons van der Waals. Le graphite se compose de feuillets d'atomes où chaque feuillet est constitué de liaisons covalentes - ces feuillets sont solides et flexibles. Chaque atome dans ces feuillets se lie avec trois autres atomes de carbone (notez que dans le diamant chaque atome se lie avec quatre autres atomes de carbone). Les feuillets adjacents sont liés faiblement entre eux par des liaisons van der Waals qui sont très faibles et sont facilement cassées. Le graphite est employé comme lubrifiant aux hautes températures à cause des propriétés de ces liaisons van der Waals. a – liaison métallique b – liaison de Van der Waals c – liaison ionique d – liaison covalent Nombre et polyèdres de coordination On appelle nombre de coordination ou coordinence d’un atome, le nombre total d’atome, d’ions ou de molécules liés à l’atome central. Autour de chaque cation, les anions s’organisent en polyèdres tel que l’empilement résultant ait une compacité maximale. Une relation existe donc entre taille des ions, nombre de coordination et forme des polyèdres. En Cristallochimie, existe le principe d’interaction qui stipule que: chaque atome ou ion est entouré par le plus de voisins possibles. Ainsi dans un cristal ionique, les ions de petites taille (cations) s’entourent du nombre maximum possible d’ions de grande taille (anions), cela en fonction de la taille relative des ces ions et de leur charge. Tableau I: Coordinence et structure relatifs aux différents rapports entre les rayons ioniques Les coordinences 5,7,9, 10 et 11 sont rares dans les structures ioniques. Représentation à l'échelle des rayons ioniques des principaux ions Classiquement, Si4+ est remplacé par Al3+ et Ti4+, Mg2+ par Fe2+ et Mn2+ Na+ par Ca2+ K+ par rien (Ba2+, NH4+, Cs+). AlO6 Nombre et polyèdre de coordination La majorité des cations ont une seule coordinence par rapport à l’oxygène. D’autres tels que Al, Ca, Na et Zn en ont deux car le rapport de leur rayon à celui de l’oxygène tombe à la limite séparant deux coordinences; Al: on obtient 0,41 ce qui entre les coordinences 4 et 6. Cela affectera la structure de nombreux silicates car la coordinence évolue en fonction de la température et la pression de cristallisation. Les coordinences ne s’expriment pas dans les formules chimiques des minéraux à l’exception des silicates d’alumine (Al2SiO5). Lois de Pauling 1ère loi: définit les polyèdres de coordination 2ème loi: chaque cation est neutralisé par l’ensemble des anions coordinés 3ème loi: les polyèdres peuvent s’associer selon certaines modalités Les tétraèdres SiO4 ou AlO4 ne peuvent mettre uploads/s3/ cristallochimie-m1-cm-22-23.pdf