Les confidences de Kasuku

Sous le pseudonyme de Kasuku, je vous livre des petits sujets scientifiques d'actualité ainsi que l'évocation de divers savants, parfois un peu oubliés, mais qui ont joué un rôle majeur dans l'avancement des sciences.

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Bonne lecture 

 

Comment la structure des minéraux s'organise-t-elle ?

La structure intime des cristaux est conditionnée par la façon dont les atomes se lient les uns aux autres. Les chimistes distinguent principalement trois types de liaison : ionique, covalente et métallique.

Dans les liaisons de type ionique, qui la plus présente dans les structures des minéraux, il y a échange d'électrons entre les anions et les cations. Les atomes s'empilent les uns les autres formant des assemblages géométriques dans lesquels les anions grossissent en se chargeant des électrons provenant des cations qui, eux, diminuent de taille. Les gros anions s'arrangent à occuper l'espace de la façon la plus économique et les petits cations se logent dans les interstices laissés libres par les premiers.

 

Dans les liaisons ioniques, les anions montrent une tendance à l'embonpoint alors que les cations subissent un amaigrissement incompréhensible !

Dans la structure d'un minéral, c'est généralement l'oxygène qui conditionne la structure soit en qualité de gros anion dans la classe des oxyde soit, le plus fréquemment, en formant avec de petits atomes métalliques des sortes de grosses "briques" anioniques connues aussi sous le nom de groupes anoniques qui cherchent à remplir l'espace de la manière la plus économique.

Les "briques" anioniques

La forme d'une brique anionique dépend du rayon ionique de chaque composant. Ainsi le tout petit carbone se trouve très à l'aise au milieu de 3 atomes d'oxygène situés aux sommets d'un triangle, construisant ainsi la brique CO3 qui caractérise tous les carbonates. La charge électrique de cette brique est l'addition des charges de ces divers composants, ici 4+ pour le carbone et 6- pour les trois atomes d'oxygène. La charge résiduelle de la brique est donc 2- . On écrit [CO3]2- .

Mais l'oxygène préfère les tétraèdres

Si la taille du cation lié à l'oxygène augmente on voit apparaître une brique anionique comportant 4 atomes d'oxygène situés aux sommets d'un tétraèdre. L'oxygène aime particulièrement cette disposition et la plupart des briques anioniques l'adoptent. Par exemple, le silicium et l'oxygène, les 2 éléments les plus abondants de la croûte terrestre, forment à ce qu'on appelle le tétraèdre SiO4 qui va être la brique anionique qui conditionne l'ossature de tous les silicates.
Il y en a encore d'autres briques anioniques mais elles sont plus rares.

Brique anionique [CO3]2-

Brique anionique [SiO4]4-

 

Le principe de la classification des minéraux

Le premier critère de la classification des minéraux repose sur le type de groupe anionique qui les caractérise. Cela aboutit aux classes suivantes  :

Le cas des silicates

Les silicates sont les constituants principaux des roches éruptives et métamorphiques. Ils constituent 79% de tous les minéraux. Si on ajoute encore le quartz parmi les silicates, cette proportion atteint 90% ! Leur structure est basée sur le tétraèdre [SiO4]4-. Mais ces tétraèdres aiment à jouer ensemble, former des chaînes, des anneaux, des couches et même des structures à trois dimensions. On dit qu'ils polymérisent. Ainsi si 2 tétraèdres mettent en commun un de leurs atomes d'oxygène, ils vont former le petit groupe [Si2O7 ]. S'ils décident de former des petites rondes de 3, 4 ou 6 tétraèdres, on aura les groupes [Si3O9 ], [Si4O18 ] et [Si6O18 ]

Le béryl, Be3Al2OSi6O18, possède dans sa structure des anneaux Si6O18, l'axinite, Ca2(Fe,Mn)Al2O(BO3)(Si4O12)(OH)  des anneaux Si4O12.

En continuant le même raisonnement, on trouve aussi les structures en chaînes simples ou double ainsi que des couches continues.

 

Le stade le plus évolué de polymérisation est la structure cellulaire à trois dimensions. C'est aussi la structure la plus répandue puisqu'elle concerne les feldspaths, les feldspathoïdes et les zéolites qui constituent à eux seuls plus de 55% de tous les minéraux.

On attribue aux silicates les préfixes néso-, soro-, cyclo-, ino-, phyllo- ou tecto- selon le degré de polymérisation. Le tableau ci-dessous reprend tous ces termes.

 

Les tétraèdres SiO4 accueillent volontiers des requérants d'asile

Parmi les silicates fortement polymérisés les tétraèdres [SiO4]4- accueillent volontiers les étrangers que sont les tétraèdres [AlO4]5-. Ainsi l'orthose est constituée de 3 tétraèdres [SiO4]4- et d'un tétraèdre [AlO4]5-. Tous ce tétraèdres partagent tous leur atomes d'oxygène avec les tétraèdres voisins, ce qui donne finalement la formule K[AlSi3O8]. C'est pour cela qu'on parle de silicates et alumino-silicates.