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 Lettre de Kasuku  N°5

 

Comment empiler

 

des atomes ?

 

 Abondance des atomes

Dans la croûte terrestre, on dénombre environ 92 sortes d'atomes. Ce sont les éléments chimiques. Ils participent à la formation des minéraux. Certains sont très abondants, d'autres beaucoup plus rares. Si on exprime leur abondance en nombres d'atomes, on observe que dix éléments représentent à eux seuls 99,3 % des atomes présents. 

Par ordre d'abondance décroissante, on trouve l'oxygène, le silicium, l'aluminium, l'hydrogène, le sodium, le calcium, le fer, le magnésium, le potassium et le titane. Et parmi ces derniers, l'oxygène, le silicium et l'aluminium représentent à eux seuls, 87 % de tous les atomes. Ce sont ces trois éléments qui constituent l'ossature de la grande famille des alumino-silicates.

 L'oxygène représente, à lui seul, 62 % des atomes de la croûte terrestre. Ce sont des atomes volumineux qui tendent à remplir l'espace de la manière la plus compacte possible, exactement comme l'empilement des oranges sur l'étal d'un marchand.

 

 

 

L'empilement des oranges sur l'étal d'un marchand est semblable à l'empilement des gros atomes dans une structure minérale.

 

 Assemblage des atomes dans une structure

Sur un plan, on remarque que chaque orange est entourée de six autres oranges. On voit aussi que chaque orange est entourée de six interstices alors qu'un interstice n'est entouré que de trois oranges.     Il y a donc deux fois plus d'interstices que d'oranges. En superposant une couche supplémentaire, les oranges se placent au-dessus d'un interstice de la couche inférieure. Mais comme il y a deux fois plus d'interstices, les oranges de la troisième couche peuvent se placer soit exactement au-dessus des oranges de la première couche, soit au-dessus des interstices non encore recouverts par la couche précédente.  Il y a donc deux sortes d'empilements possibles : un binaire du type A B A B ou le type ternaire de type A B C A B C.  Le premier engendre une symétrie hexagonale, le second une symétrie cubique.

Les atomes occupent 74% de l'espace total. On les qualifie d'assemblage hexagonal compact et assemblage cubique compact. C'est la manière la plus économique de remplir l'espace avec des sphères d'un même rayon.

Il y a un troisième type d'assemblage, symbolisé par l'Atomium de Bruxelles, l'assemblage cubique centré dans lequel huit atomes situés aux sommets d'un cube entourent un atome central. Ce remplissage, légèrement moins compact, n'est plus que de de 68%. Cet type d'assemblage est fréquent dans les structures des métaux.

 

 

 

 

 

 

L’Atomium de Bruxelles, un modèle d’assemblage cubique centré.

 

Les gros et les maigres

Lorsque les atomes sont excités, certains acquièrent des électrons supplémentaires. Ils se chargent négativement et leur taille augmente. Ce sont les anionsD'autres cèdent quelques uns de leurs électrons, leur taille diminue, ce sont les cations. Dans les structures minérales, les gros anions tendent à réaliser une structure aussi compacte que possible et les petits cations  (les atomes métalliques) prennent place dans les interstices qui demeurent à leur disposition entre les gros anions. Le nombre de bras symbolise le nombre de charges électriques que possède un atome lorsqu'il est ionisé. Pour les cations les charges sont positives, pour les anions elles sont négatives.

Les cations sont plutôt maigrichons, les anions ont tendance à l'embonpoint. (dessin Alain Gassener)

 Comme une boutade, on pourrait presque affirmer que la croûte terrestre est constituée d'assemblages compacts de gros atomes d'oxygène dans les interstices desquels prennent place les petits atomes métallique !

Pour en savoir plus :  https://kasuku.ch/le-monde-etrange-des-atomes/

Pour en savoir encore plus :  https://kasuku.ch/au-coeur-des-mineraux/