Base de cristallographie

Les principaux minéraux qui constituent le globe terrestre sont les silicates. Ils sont importants car ils sont la mémoire de l’histoire géologique de la Terre et ce, pratiquement depuis que celle-ci s’est formée. Mais avant de parler des silicates, découvrons ce qu'est un minéral et de quelle façon s'agence sa structure atomique.

Un peu de vocabulaire pour commencer

Un minéral est une base, un motif défini comme un état solide homogène, d'une composition chimique bien définie suivant une structure ordonnée d’atomes.

La cristallographie est une science qui se concentre sur les propriétés géométriques des arrangements structuraux de la matière. Le CEA s'en sert notamment pour étudier la structure de la matière cristalline à l'échelle atomique. En effet, selon l'arrangement spatial des atomes d'un système cristallin (donc d'un cristal), ses propriétés physico-chimiques vont varier.

La cristallochimie est la corrélation entre les compositions chimiques des solides, leurs structures et leurs propriétés physico-chimiques. Dit autrement, « La cristallochimie permet [..] de définir les propiétés d'une substance en fonction de sa structure » (Universalis). Ou encore, Duval (1959) a proposé la définition suivante : « Étude des relations entre la structure interne d'un corps (déterminée principalement par rayons X) et ses propriétés physiques ou chimiques. »

Une fois que la cristallographie est acquise, il devient aisé d'étudier les roches, donc de faire de la pétrographie.

La pétrographie est la science de la description des roches : cela revient à faire une analyse de leurs caractères observables, donc de leur composition chimique et minéralogique afin de les classer, ainsi que pour étudier leur formation.

La pétrologie est un terme issu de pétrographie, elle le rejoint donc dans la recherche de l'interprétation des caractères des roches et minéraux et de leurs conditions de genèse et d’évolution.

Faire de la pétrologie ou de la pétrographie revient donc à regarder et classer les roches et minéraux afin de reconstituer l’histoire (et donc la genèse) de la roche ou du minéral observé. Cela veut dire qu'il faut déterminer les conditions de pression et de température qui ont conduits aux caractères observés.
Il est aussi possible de regarder d’autres conditions qui peuvent évoluer au cours du temps.

La maille élémentaire

Qu'est-ce que c'est ?

La cristallographie fonctionne un peu comme la paléontologie. Les bases de cette discipline ont été lancées dès le XVIII^e siècle par René Just Haüy (1743-1822). Haüy est le fondateur de la cristallographie géométrique et de la gemmologie avec Jean-Baptiste Romé de L'Isle. Il a défini un cristal comme la répétition d’un petit élément appelé la maille élémentaire.

Représentation d'une molécule cristalline intégrante faite par Haüy (source : Wikipedia commons)

La maille élémentaire (ou maille fondamentale) est un petit parallélépipède qui conserve les propriétés géométriques, physiques et chimiques d’un cristal.

Elle est l'unité de base qui se répète par translation dans l'espace. Il faut bien prendre en compte que ce n’est pas parce qu’une maille a une forme donnée qu'en la répétant dans l’espace, la même forme est obtenue. Mais les propriétés physico-chimiques de l’élément formé restent les mêmes que celles de la maille élémentaire.

Pour comprendre de quelle manière se construit un réseau cristallin, il faut construire un repère en trois dimensions :

• Trois vecteurs a, b et c partant dans trois directions de l'espace,
• Séparés par des angles α, β et γ.

 

Ce qui permet de construire par exemple un réseau cristallin simple :

Quelles que soient les dimensions entre deux faces déterminées d’un même cristal, l’angle dièdre entre ces deux faces sera toujours le même. C’est ce qu’on appelle la loi de constante des dièdres.

Les 7 systèmes cristallins

Il n’existe sur Terre que sept systèmes cristallins à partir desquelles se forment toutes les roches et tous les minéraux.

Selon les valeurs des différents paramètres, les systèmes cristallins ont des propriétés de symétries se caractérisant par la présence de centres de symétrie, de plans de symétrie et d’axes de symétrie, et ce au niveau de la maille fondamentale :

• Un centre de symétrie, dans un volume, est un point qui va être le symétrique de deux points opposés sur les faces d’un cristal. L’existence d’un centre de symétrie n’est pas un critère de reconnaissance, car il y en a plein.

• Un plan de symétrie est tel qu’il divise un cristal en deux moitiés qui sont l’image l’une de l’autre dans un miroir. Le plus simple est le cube.

• Un axe de symétrie est une ligne telle que, si on fait tourner le cristal autour, il est possible de revenir à l’état initial.
  La valeur de l’angle dans lequel il faut faire tourner la figure sur l’axe est la valeur de l’axe lui-même.
  Si l'angle est de 180°, on a un axe d’ordre 2 (A2) ; si l’angle est de 120°, l'axe est d'ordre 3 (A3) ; si l'angle est de 90°, l'axe est d'ordre 4 (A4), si l'angle est de 60°, alors l'axe est d'ordre 6 (A6).

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Les sept systèmes cristallins fondamentaux sont :

1. Cubique,
2. Rhomboédrique,
3. Hexagonal,
4. Quadratique,
5. Orthorhombique,
6. Monoclinique,
7. Triclinique.

Tous les cristaux qui existent sont basés sur ces sept édifices cristallins qui varient en fonctions de leurs symétries et de leurs angles.

L’expression de la matière à l’échelle cristalline est le résultat d’un agencement chimique à l’échelle atomique.

Les liaisons chimiques

Il existe quatre types de liaisons chimiques dominantes :

• Des liaisons covalentes : deux atomes partagent un ou plusieurs électrons afin d'atteindre la neutralité électronique. Ce type de liaison se produit notamment lorsque la différence d'électronégativité est petite.

Exemple de liaison covalente avec un seul doublet d'électrons, le cas du Cl₂ :

 

Exemple de liaison covalente avec deux doublets d'électrons, le cas du CO₂ :

 

• Des liaisons ioniques où un anion et un cation sont mis en relation. Exemple avec le sodium (Na⁺) et le chlore (Cl^-) :

• Des liaisons métalliques : ce sont des cations (donc des ions chargés positivement) qui baignent dans un fluide d’électrons : cela produit une conduction électrique et thermique.
• Des liaisons de Van der Waals : ce sont des liaisons faibles existant entre des atomes électriquement neutres.

Les ions sont symbolisés par de petites sphères ayant un rayon ionique. Dans un système cristallin, le nombre d’anion pouvant entourer un cation dépend du rapport entre le rayon du cation et le rayon de l’anion. En fonction du rapport de ces rayons, les ions vont pouvoir s’agencer ensemble pour ordonner la matière.

Il n’existe que quatre possibilités d’agencement qui définissent un nombre maximal d’anions qui peuvent se mettre autour d’un cation :

• 4 (tétraèdre),
• 6 (hexaèdre),
• 8 (octoèdre),
• 12 (dodécaèdre).

Ce rapport est appelé la coordinence (rapport entre le rayon du cation et le rayon de l’anion).

En fonction de ce rapport, il est possible de mettre un certain nombre d’anions autour d’un cation. Ce nombre est appelé le nombre de coordination.

Nous n'allons nous intéresser qu’aux tétraèdres et à quelques octaèdres.
Les tétraèdres sont les conformations des composés silicatés.

Ce qui nous amène à parler des minéraux silicatés ! Alors en avant  !