Des édifices ordonnés: les cristaux

Comment s’organise la matière minérale? Quels sont les différents niveaux d’organisation?

Comment la structure des réseaux cristallins détermine –t-elle les propriétés physiques des roches?

Matériaux de construction en calcaire

Une même formule chimique (CaCO3) mais différentes organisations de la matière

➔Différentes propriétés physiques ➔Différentes utilisations pour la construction!

Gravier calcaire(chemin, jardins)

Calcaire à travertins (Briques pour bâtiments)

Marbre issu de Calcaire récifal(Dalles, murs…)

Les roches calcaires

Falaise d’Etretat, Normandie

Une même formule chimique pour une même organisation de la matière?

Paleo-récifs urgoniens, Alpes

Récifs des îles polynésiennes

Ca2+ + CO32-➔ CaCO3

Précipitation

(exemples issus du territoire français)

Test d’identification

(effervescence)

CaCO3 + 2 HCl

➔ CO2 + CaCl2 + H2O

La Calcite

Dans les conditions ambiantes, les carbonates de calcium cristallisent sous forme de Calcite

La notion de maille élémentaire

René Just Haüy

1743-1822

Les prémices de la minéralogie ! Antman

Expériences de clivage de la calcite

Traité de Minéralogie (1801)

La notion de maille élémentaire

✓Le bloc de calcite se

fragmente toujours selon

le même motif, identique

au cristal d’origine

✓Ce motif est baptisé par

Gabriel Delafosse ‘maille

élémentaire’ en 1840

✓La maille se répète (par

translation) selon les 3

axes de l’espace (fractale)

Maille : forme géométrique qui se répète de façon régulière dans l’espace pour former un cristal

La notion de maille élémentaire

La notion de maille élémentaire

Un cristal d’une même espèce est constitué, quel que soit son faciès, par la juxtaposition de parallélépipèdes élémentaires « maille intégrante », tous

identiques entre eux et caractéristiques de l’espèce.

La notion de maille élémentaire

Microscope optique Microscope électronique à balayage

X 100 > X 1000

ACTIVITE 1 : La calcite à différentes échelles d’observation

Lorsque Haüy et Delafosse ont défini la notion de maille élémentaire, les microscopes, encore rudimentaires, ne permettaientpas d’explorer les plus petites échelles, en deça de quelques micromètres.A partir des différentes photos de minéral de Calcite, issues de différentes microscopies, démontrez la notion de mailleélémentaire. Déterminez les critères géométriques et physico-chimiques nécessaires à la caractérisation de la maille de laCalcite.

~1 µm~2 mm~2 cm

Œil nu

La notion de maille élémentaire

Microscope optiqueMicroscope électronique

à balayage

X 100 X 1000

La maille se répète à toutes les échelles d’observation

-Postulat confirmé par les progrès de l’imagerie microscopique au cours du XX°siècle

Quels critères pour définir une maille?

?

Il faut des critères valables quelque soit l’échelle d’observation

Quels critères pour définir une maille?

?

-La forme géométrique de la maille :

Rhomboèdre pour la Calcite (polyèdre

dont les faces sont des losanges)

Angle d’ouverture du rhomboèdre…

-Nature des atomes & molécules

composant la maille

-Disposition des atomes au sein

de la maille & symétries

-Volume occupé par les atomes

et par le vide

-Distances entre molécules

Unité : Angström Å. 10-1 nm10-10 m

molécules de CaCO3

https://www.futura-sciences.com/sciences/dossiers/chimie-cristallographie-chimie-calcite-586/page/2/

A l’intérieur de la maille…

La notion de macle

Interpénétration d’individus cristallins à la faveur de nœuds communs au sein de leur réseau cristallin

~cm ~mm

Macles de la Calcite

La maille est l’enveloppe du plus petit parallélépipède de matière cristallisée conservant toutes les propriétés géométriques etphysiques du cristal, et contenant suffisamment d’atomes pour respecter sa composition chimique.

Le contenu atomique de la maille est appelé motif. Les sommets de la maille sont les noeuds.

La notion de maille élémentaire (définition rigoureuse)

L’organisation de la matière solide : de la maille à la roche

Bilan pour la Calcite

Maille Cristal Roche

Ici, la roche résulte de l’assemblage d’un seul minéral, la calcite

Minéral

Les carbonates de Calcium en condition ambiante : la Calcite

…Lorsqu’on sort des conditions ambiantes, est-ce que la structure cristalline des Carbonates de Calcium change?

Température

Pression

Temps

Diagenèse :

Ensemble des

transformations

physiques et chimiques

subies par un sédiment

après son dépôt ou sa

formation

Métamorphisme :

Ensemble des transformations

physiques,chimiques, minéralogiques

et structurales

subies par une roche lorsqu’elle est

soumise à des conditions de Pression

et Température différentes de celles

ayant gouverné sa formation. Ces

changements s’opèrent à l’état solide.

La grotte de Pont-de-Ratz, Hérault

Perrin et al., Journal of sedimentary research, 2014

Coupe d’une stalactite

Au cours de leur histoire et leur croissance , les

stalactites subissent des transformations

minérales.

Il est important de connaître le mode

d’évolution des stalactites pour reconstruire les

climats passés.

Les zones grises représentent les zones

dissoutes ou transformées

ACTIVITE 2 : L’évolution d’un calcaire dans un spéléothème

(Rappel- formation des spéléothèmes)

Un spéléothème de la grotte de Pont-de-Ratz vu au microscope (MEB)

Perrin et al., Journal of sedimentary research, 2014

➢ Analysez l’image de Microscopie Electronique à Balayage obtenue sur le spéléothème.

➢Combien de formes de carbonate de calcium observez-vous?

➢Quelles sont les caractéristiques de leur maille?

➢Proposez un scénario pour l’évolution minéralogique de ce spéléothème au cours du temps

ACTIVITE 2 : L’évolution d’un calcaire dans un spéléothème

Un spéléothème de la grotte de Pont-de-Ratz vu au microscope (MEB)

Perrin et al., Journal of sedimentary research, 2014

➢ Les cristaux de Calcite dissous sont remplacés par une autre forme cristalline,

l’Aragonite, dont la géométrie de la maille est différente

ACTIVITE 2 : L’évolution d’un calcaire dans un spéléothème

L’Aragonite

En condition ambiante, la Calcite peut se transformer lentement en Aragonite (diagenèse sur plusieurs milliers d’années)

L’ Aragonite est la forme minérale des Carbonates de Calcium à haute température ou haute pression

Maille de système orthorhombique(prisme rectangulaire avec base rectangulaire)

➔ POLYMORPHE de la Calcite

La notion de

polymorphe cristallin

Maille Cristal Roche

TempératurePressionTemps (Diagenèse)

Po

lym

orp

hes

Macles, clivagesBiologie (séance 4)

+ diagenèse (cimentation)

Une même formule chimique pour une même organisation de la matière? Ca2+ + CO3

2-➔ CaCO3

L’organisation de la matière solide : de la maille à la roche

Rhomboédrique

pour la Calcite

Orthorhombique

pour l’Aragonite

Minéral

Bilan - Définitions à retenir:

• Maille : forme géométrique élémentaire qui se répète de façon régulière dans l’espacepour former un cristal – plus petite unité d’organisation du monde minéral. Une maille estcomposée d’entités chimiques (atomes, ions)

• Cristal : Un cristal est un solide dont les constituants (atomes, molécules ou ions) sont assemblés de manière régulière, par opposition au solide amorphe. Cristal = minéral qui dans sa croissance aboutit à un solide avec des formes géométriques parfaitement définies de l’espèce

• Minéral : Solide inorganique, naturel, homogène, qui possède une composition chimique définie, et une structure atomique ordonnée = état cristallin

id. au cristal, cependant sa croissance peut ne pas être parfaite(entravée par impuretés ou autre minéraux)

• Roche : ensemble de minéraux (identiques ou différents), constituant les enveloppes àforte viscosité de la Terre

(définition personnelle: matériau qui permet de propager une onde P)

• Polymorphe : minéraux qui ont la même formule chimique, mais pas la même organisation(pas la même maille)

Toute définition est arbitraire et comprend des limites : certains métaux natifs se présentent sous forme liquide, ex: le mercure (Hg), l’eau peut être une roche (glace) mais aussi un gaz

(vapeur d’eau…)

La diversité des mailles cristallines

Schéma des différentes mailles cristallines rencontrées dans le monde minéral

ACTIVITE 3 : Visite virtuelle d’une galerie de minéralogie

A partir de la galerie en ligne du muséum d’histoire naturelle, identifiez des minéraux représentant les réseaux cristallins suivants (au moins un par système) : cubique, orthorhombique, monoclinique, rhomboédrique, hexagonal

https://www.jardindesplantesdeparis.fr/fr/aller-plus-loin/collections-plantes-animaux-2714

En quoi les formes des motifs des échantillons réels diffèrent des schémas qui vous sont fournis?

Cubique

+ Argent et Or

Orthorhombique

Monoclinique

Rhomboédrique

Hexagonal

Entretenir sa culture en minéralogie:

• http://collection-mineraux.sorbonne-universite.fr/fr/la-collection.html#N10028

• https://twitter.com/micROCKScopica