$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Les minéraux sont des substances inorganiques présentes dans la Terre, avec des propriétés uniques qui aident à l’identification et à l’analyse.
De nombreux minéraux présentent une « structure cristalline ». Ces matériaux cristallins ont des arrangements atomiques hautement ordonnés, constitués de groupements atomiques répétitifs, appelés cellules unitaires. Parce que les cellules unitaires sont identiques à l’intérieur d’un cristaux, elles sont responsables de la symétrie du cristal à l’échelle micro et macro.
Cette symétrie provoque la rupture, ou le clivage, des cristaux minéraux de manière prévisible. Le clivage est la tendance d’un cristal à se briser le long de plans structurels faibles. Ainsi, la façon dont un minéral se clive donne un aperçu de sa structure cristalline.
Cette vidéo démontrera l’analyse de formes de cristaux minéraux à l’échelle macroscopique en brisant des échantillons de minéraux et en observant leur clivage.
Les solides cristallins contiennent des atomes organisés selon un motif répété, tandis que les solides amorphes n’ont pas d’ordre. Par exemple, le carbone peut être trouvé sous de nombreuses formes. Les atomes de carbone amorphe sont organisés de manière aléatoire, tandis que les atomes de diamant sont disposés dans un cristal ordonné.
Un cristal est un ensemble de cellules unitaires répétitives et identiques, qui sont définies par la longueur des bords des cellules unitaires et les angles entre elles. Ces structures répétées s’étendent à l’infini dans trois directions spatiales et définissent l’uniformité et les propriétés du cristal.
Il y a sept cellules unitaires de base. La cellule unitaire la plus simple, le cube, a des longueurs d’arête égales et un atome à chaque coin. Les variations incluent le tétragonal et l’orthorhombique, qui possèdent des longueurs de bord différentes.
Les structures cristallines rhomboédriques possèdent une géométrie de face parallèle similaire sans angles droits. La monoclinique et la triclinique ont une forme similaire, mais avec des angles et des longueurs de bord variés. Enfin, la structure hexagonale est composée de deux faces hexagonales parallèles, avec six faces rectangulaires.
Des variations dans ces structures se produisent lorsque des atomes supplémentaires sont contenus dans la face cristalline, appelée centrée sur la face, ou dans le corps cristallin, appelé centré sur le corps.
Lorsque les cristaux sont brisés, ils ont tendance à se fendre le long de plans cristallins structurellement faibles. La qualité du clivage dépend de la force des liaisons dans et à travers le plan. Un bon clivage se produit lorsque la force des liens à l’intérieur de l’endroit est plus forte que celle de l’autre côté du plan. Un mauvais clivage peut se produire lorsque la force de liaison est forte sur le plan cristallin. Les cristaux peuvent se fendre dans une direction, ce qu’on appelle clivage basal, ce qui donne deux faces clivées. Cela résulte de liaisons atomiques fortes à l’intérieur du plan, mais de liaisons faibles entre les plans.
De même, les cristaux peuvent se fendre dans deux directions, en raison de deux plans faibles, ce qui entraîne quatre faces clivées et deux faces fracturées. Les formes cubiques et rhomboédriques résultent d’un clivage dans trois directions. Les formes octaédriques et dodécaédriques proviennent respectivement de quatre et six plans de fracture.
Certains minéraux ne se clivent pas du tout le long d’un plan cristallin, en raison de liaisons fortes dans toutes les directions, et entraînent plutôt une fracture irrégulière.
Maintenant que nous avons couvert les bases de la structure cristalline et les différents types de clivage des cristaux, examinons ces propriétés dans de vrais échantillons de minéraux.
Pour analyser les formes cristallines, collectez d’abord un groupe d’échantillons minéraux, tels que le quartz, l’halite, la calcite, le grenat, la biotite et la muscovite.
Placez l’échantillon sur la surface d’observation. Faites pivoter l’échantillon afin d’observer tous les côtés. Recherchez les faces cristallines, les arêtes cristallines et les sommets cristallins.
Dans la mesure du possible, mesurez les angles interfaciaux à l’aide d’un goniomètre. Pour ce faire, posez un côté du goniomètre sur une face cristalline particulière et l’autre côté du goniomètre sur une face adjacente. Ensuite, lisez l’angle.
Comparez les observations à l’ensemble des polyèdres cristallins caractéristiques. Répétez ces étapes pour d’autres minéraux et notez les différences.
Les échantillons de quartz ont une forme cristalline dipyramidale hexagonale, comme l’indiquent les 6 côtés.
Le matériau de calcite présente une forme de scalénoèdre, comme le montrent les 8 faces de la structure pyramidale jumelée.
Halite, présente une structure cubique caractéristique, avec 90 ? Angles.
Le grenat a des surfaces angulaires à 12 côtés, ce qui indique sa forme dodécaèdre.
Enfin, la biotite peut présenter une forme hexagonale apparente.
Ensuite, pour observer le clivage du cristal, mettez d’abord une protection oculaire.
Placez un morceau de quartz sur la surface de rupture. À l’aide d’un marteau, cassez le morceau de quartz. À l’aide d’une loupe, observez le morceau de quartz brisé pour les surfaces de clivage. Notez que le quartz n’en a pas.
Les cellules unitaires du réseau cristallin de quartz ont des forces de liaison comparables dans toutes les directions, ce qui donne un cristal sans plans de rupture préférés, appelé fracture conchoïdale.
Ensuite, répétez cette étape de rupture pour d’autres échantillons. Utilisez une loupe pour évaluer les différentes qualités de décolleté.
Lorsqu’il y a une différence spectaculaire dans les forces de liaison dans une orientation particulière, comme entre des feuilles de groupements de silicates dans le cas du mica, un clivage presque parfait est généré entre ces feuilles, appelé clivage basal.
La biotite et la muscovite présentent chacune un clivage basal, avec un seul plan de rupture.
Halite présente un clivage cubique, résultant de trois plans de clivage à 90°.
La calcite présente un clivage rhomboédrique, résultant de trois plans de clivage à 120° et 60°.
L’analyse de la structure cristalline est importante pour comprendre les types de minéraux trouvés sur le terrain.
L’analyse quantitative de la structure cristalline peut être effectuée à l’aide de la diffraction des rayons X, ou XRD.
Dans cet exemple, la structure cristalline d’un oxyde de fer a été synthétisée à partir d’un mélange d’hématite et de fer à haute température et pression dans une cellule à enclume en diamant. Le modèle de diffusion XRD a été analysé tout au long de la réaction pour déterminer la structure cristalline.
Les résultats ont montré des anneaux de Debye lisses ou tachetés, ce qui indique une cristallinité. L’emplacement de chaque anneau permet d’élucider la structure cristalline, car chaque anneau correspond à un plan cristallin.
En raison de sa propriété de clivage planaire, et donc de sa surface atomiquement plane, le mica est fréquemment utilisé comme substrat pour l’imagerie de petites molécules.
Dans cet exemple, le mica a été utilisé comme substrat pour l’imagerie des molécules photoréceptrices à l’aide de la microscopie à force atomique, ou AFM. L’échantillon de protéines a été adsorbé sur une feuille de mica fraîchement clivée, puis rincé avec un tampon.
L’échantillon a ensuite été imagé à l’aide d’une cellule fluide. Le substrat de mica a permis une imagerie à haute résolution de l’échantillon de protéine grâce à sa surface atomiquement plane.
Vous venez de regarder l’introduction de JoVE aux propriétés physiques des minéraux. Vous devriez maintenant comprendre les bases des cellules unitaires cristallines et comment déterminer les plans de clivage des cristaux. Merci d’avoir regardé !
