Système cristallin et couleur

[PPathfindeRR]

Bonjour à tous,

Je pensais que la couleur d'un minéral était causé uniquement par l'excitation des atomes qui le compose.
Je me suis donc demandais pourquoi plusieurs type de quartz avaient différente couleurs,
comme entre l'améthyste qui est violette et la citrine qui est jaune alors que le composition chimique pour les deux est SiO2 !
Est-ce causé par le système cristallin ? un ratio différent des liaisons chimique double ou ionique ?
Je me suis laissé dire aussi qu'il ne fallait que je me focalise uniquement sur l'excitation des atomes mais qu'il y a d'autre paramètre à prendre en compte comme la déviation différente de la lumière.
En faisant des recherches sur le net, je ne trouve pas plus de réponses à ce sujet.
Certain site parle d’impureté aussi.
Dans un système cristallin (trigonal) comme pour l'améthyste et la citrine, les liaisons chimique entre atomes sont-elle différente ? et peuvent elles changer la couleur du minéral ?
Quelle sont chaque raison donnant telle ou telle couleur à un minéral ?

P.S : soyez assez simple dans vos explications car je suis encore au stade de la découverte dans cette discipline et n'ai quasi aucune connaissance en chimie.
Merci pour vos réponses.
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[Dr. Zoidberg]

D'après mes souvenirs de minéralo, la diversité des couleurs, dans le cas des quartz, ou des corindons, par exemple, est tout simplement due aux impuretés. En effet, un cristal de quartz, ce n'est pas que des atomes de Si et d'oxygène. Il y a un certain nombre d'éléments présents en faible quantité (Cr, Cu, Zn, Fe,...) qui peuvent donner différentes couleurs aux cristaux. Par contre, je ne me souviens plus quels éléments traces donnent quelle couleur, mais bon, ça doit pouvoir se trouver sur le net (ou alors T-K passera t'expliquer tout ça ).

[Tawahi-Kiwi]

Salut,

Je pensais que la couleur d'un minéral était causé uniquement par l'excitation des atomes qui le compose.

C'est exact dans les grande lignes; dans le detail, des polymorphes (=> meme composition chimique mais structure cristalline differente) peuvent avoir des teintes legerement differentes (rien de dramatique) due aux liaisions chimiques. Une exception, le graphite et le diamant, ou les liaisons chimiques sont tellement differentes que l'un est noir opaque, l'autre transparent.

Mais la plupart des mineraux n'ont pas une composition chimique ideale et peuvent contenir des impuretes qui vont introduire la couleur dans des materiaux a priori incolores. Ces impuretes peuvent etres presentes de deux manieres.
Quartz SiO₂ pur est completement incolore

- D'un cote on peut avoir des inclusions microscopiques d'autres composes (c'est donc quartz + un autre mineral).
Des quartz orange ou rougeatre le sont par la presence d'inclusions d'hematite (mineral rougeatre) que l'on ne peut voir qu'avec un microscope electronique.
Les quartz laiteux sont blanchatres principalement du a la presence de microbulles d'eau. La lumiere est plus facilement reflechie par le cristal, qui devient donc moins transparent.
L'aventurine (quartz vert) a une couleur cree par des micro-inclusions de mica vert (la fuchsite).

- De l'autre cote, on peut avoir des elements qui rentrent dans la structure cristalline du quartz. La formule n'est alors pas exactement SiO₂ et des valeurs comme 0.001% du silicium (Si) peuvent etre remplaces par un autre element qui donne de la couleur.
Cristal de roche : silice pure, pas de "colorants"
Citrine : jaune a brunatre, principalement cause par un tout petit peu de fer
Amethyste : mauve, cause par le fer
Quartz rose : rose, cause par le manganese
Chrysoprase : vert, cause par le nickel

L'irradiation tend a noircir les mineraux (les rayons detruisent quelques connexions entre atomes, qui sont essentielles pour determiner la couleur). Le quartz noir, quartz fume, et les amethystes sombres sont le resultat de tres faible quantite d'uranium (rien de dangereux, rassure toi ) dans l'environnement ou le quartz est forme.



Cette coloration par impuretes au travers d'inclusions ou d'echanges d'elements chimiques est presente dans presque tout les mineraux, et est une raison majeure pour faire de la couleur un critere pas toujours valable.
D'autres exemples classiques sont (avec les impuretes indiquees) :

Corindon (incolore); Saphir (bleu - Fe-Ti); Rubis (rouge - Cr)
Beryl (incolore); Emeraude (vert - Cr); Aigue-marine (bleue, Fe²⁺); heliodore (jaune, Fe³⁺; Morganite (rose, Mn)
Feldspar (incolore); rouge-orange (Fe³⁺), vert (Pb), blanc (defauts cristallins)
et de nombreux autres.

T-K

[PPathfindeRR]

Merci pour vos réponse.

Donc une couleur causée par les élément qui le compose, et des différences de couleur causée principalement par les impuretés (d'autres éléments).

Par contre je ne comprend pas pourquoi on a une citrine jaune causé par le fer et une améthyste violette causé également par le fer ?
et donc aussi, dans le cercle chromatique RVB, le violet (R+B) et le jaune (R+V) sont quand même assez distincts ! comment peut on obtenir une telle différence pour une composition à peu près similaire, par une quantité plus importante de fer pour la citrine ?

Une silice incolore... oui, je remarque qu'il y a des raie un peu partout dans son spectre et donc globalement incolore.
Par contre l'oxygène, quand je regarde les raies, on est plutôt dans le bleu-vert (cyan).
SiO2 contient plus d'oxygène, alors pourquoi est-ce incolore ? on devrait obtenir une couleur tirant un peu vers le cyan ?!

Polymorphe ? comme la citrine et l'améthyste (SiO2), de même composition, mais pourtant ils sont tous deux trigonal (et la quantité de fer) ?
Est-ce qu'un électron transféré d'un atome à un autre peut être excité ? et dans une liaison double ? La quantité de liaison peut-elle jouer sur la couleur ?
Fe2 donne du bleu et Fe3 donne du rouge ?

A part pour les impuretés, pour le reste je suis un peu perdu... désolé pour mon incompréhension !

[A voir en vidéo sur Futura]

[Tawahi-Kiwi]

Par contre je ne comprend pas pourquoi on a une citrine jaune causé par le fer et une améthyste violette causé également par le fer ?
...
Est-ce qu'un électron transféré d'un atome à un autre peut être excité ? et dans une liaison double ? La quantité de liaison peut-elle jouer sur la couleur ?
Fe2 donne du bleu et Fe3 donne du rouge ?

Pas de connaissances en chimie mais avec des questions pareilles, ca va venir vite
Les atomes sont comme tu sembles le savoir, faits d'un noyau et des electrons qui les entourent. Ce sont les electrons sur leurs orbitales, et leur etat d'excitation qui donne la couleur.
1. Les orbitales peuvent varier pour un element suivant sa charge. Pour le fer par exemple, il peut etre 2+ ou 3+ (il a perdu 2 ou 3 electrons), cela change les orbitales, et peut donc changer la couleur resultante. C'est pour cette raison que le sulfate de fer (notamment utilise en horticulture) est vert (= fer 2+) alors que la rouille, qui est du fer 3+, est rougeatre.
2. Les orbitales peuvent etre changee par les elements aux alentours qui definissent les types de liaisons (et la distance entre les atomes); Une liaison chimique est en fait le partage d'electrons; tout cela a aussi un effet chromatique sur les composes.

Il n'y que peu de liaisons doubles dans les mineraux (a part certains sulfures et les composes organiques).

dans le cercle chromatique RVB, le violet (R+B) et le jaune (R+V) sont quand même assez distincts ! comment peut on obtenir une telle différence pour une composition à peu près similaire, par une quantité plus importante de fer pour la citrine ?

Pour une citrine avec plus de fer, tu passes du jaune claire, au jaune --> orange --> brun miel
L'amethyste est differente car elle necessite du fer, mais egalement la presence d'irradiation (et d'autres composes mineurs), qui modifie les liaisons du fer avec les oxygenes, et donc la couleur resultante. En fait, si tu chauffes un amethyste a haute temperature, le fer et ses liaisons sont modifiees et redeviennent normales, l'amethyste devient donc une citrine.

Une silice incolore... oui, je remarque qu'il y a des raie un peu partout dans son spectre et donc globalement incolore.
Par contre l'oxygène, quand je regarde les raies, on est plutôt dans le bleu-vert (cyan).
SiO2 contient plus d'oxygène, alors pourquoi est-ce incolore ? on devrait obtenir une couleur tirant un peu vers le cyan ?!

Non, parce que les raies de spectres du silicium ou de l'oxygene sont pour les elements seuls, quand ils sont en composes, les electrons ne se comportent plus comme un atome seul vu qu'ils sont partages avec les autres atomes; les raies sont donc modifiees.

Polymorphe ? comme la citrine et l'améthyste (SiO2), de même composition, mais pourtant ils sont tous deux trigonal (et la quantité de fer) ?

Non, polymorphe veut dire meme composition, mais systeme cristallin different, comme le graphite et le diamant (tout deux carbone), ou la calcite et l'aragonite (tout deux CaCO₃)
Citrine et Amethyste sont tout les deux du quartz, avec des impuretes, mais cela reste du quartz. On appelle cela des varietes.

A part pour les impuretés, pour le reste je suis un peu perdu... désolé pour mon incompréhension !

En fait, la question que tu poses peut paraitre simple, mais la couleur des mineraux, particulierement des varietes ou des gemmes, peut amener a des reponses tres compliquees. Pour vraiment comprendre les details de tout ces effets chromatiques, il faut avoir pas mal de connaissance en cristallochimie, cristallographie et optique et physique quantique, c'est vraiment pas simple et c'est donc tout a fait normal de ne pas saisir tout les aspects au debut. N'hesites pas a poser d'autres questions si tu ne comprends pas tout a ce que j'ai pu ecrire.

T-K

[PPathfindeRR]

ah je crois comprendre un peu mieux maintenant, enfin j'espère ! merci.

Donc disons deux atome excités et séparés (non liés par l'échange d'un électron) :
Quand ces atomes se remettent au repos (désexcite, si ça peut se dire), les électrons reviennent sur les couches inférieures (couche par défaut, si ça peut se dire), à cet instant l'électron émet l'énergie sous forme de lumière (énergie pure) correspondant à la couche ou il se place et qui, celle-ci, est bien définie et sont propres à chaque élément.

Mais quand les deux atomes sont liés et partage un électron ?
1er cas - quand il y a "désexcitation", l'électron peut passer sur une couche inférieure du premier atome et émettre disons un photon peu énergétique (rouge), puis passer sur une couche inférieure du seconde atome un instant plus tard et émettre encore un photon peu énergétique (rouge); Dans l'ensemble nous observons du rouge.
2e cas - Si la désexcitation se produit en même temps pour les deux atomes, l'électron partagé entre les deux émettra un photon plus énergétique (bleu); Dans l'ensemble nous observons du bleu.

Mais dans le cas de trois atomes liés "désexcités" au même instant (façon de parler ! même instant pour nos yeux) ? pour la première liaison on peut avoir le 1er cas (émission rouge) et pour la deuxième liaison on peut avoir le 2e cas (émission bleu); Dans l'ensemble nous observons du vert !
Bon... par-contre c'est l'inverse comme tu viens de me dire, Fe2 bleu et Fe3 Rouge, heu... ???

Est-ce que mon raisonnement est bon ?
et si oui, pourquoi telle ou telle "désexcitation" ?

autre question : on ne dit pas "couche" mais "orbitale" ?

[PPathfindeRR]

ah oui aussi, pour l'histoire du graphite et du diamant,

C'est la manière dont les carbones sont disposés (la structure cristalline ?) qui permet de laisser passer la lumière au travers (pas d'interactions avec les électrons ?), et dans l'autre cas la lumière, toutes les couleurs sont absorbée... heu... la lumière n'est pas réémise par les électrons ? réémit dans une autre direction ? et les reflets ?

désolé avec toutes mes questions qui peuvent paraitre bête, je débute vraiment !

[Tawahi-Kiwi]

Quand ces atomes se remettent au repos (désexcite, si ça peut se dire), les électrons reviennent sur les couches inférieures (couche par défaut, si ça peut se dire), à cet instant l'électron émet l'énergie sous forme de lumière (énergie pure) correspondant à la couche ou il se place et qui, celle-ci, est bien définie et sont propres à chaque élément.

Oui, un melange d'air (azote + oxygene) donne les raies des deux elements oxygene et azote.

Mais quand les deux atomes sont liés et partage un électron ?
1er cas - quand il y a "désexcitation", l'électron peut passer sur une couche inférieure du premier atome et émettre disons un photon peu énergétique (rouge), puis passer sur une couche inférieure du seconde atome un instant plus tard et émettre encore un photon peu énergétique (rouge); Dans l'ensemble nous observons du rouge.
2e cas - Si la désexcitation se produit en même temps pour les deux atomes, l'électron partagé entre les deux émettra un photon plus énergétique (bleu); Dans l'ensemble nous observons du bleu.

Plus ou moins, disons que les deux atomes par leur proximite, deforment leurs couches electroniques par rapport a un atome seul. Il y a donc un changement dans les longueurs d'onde emises par un meme electron. Dans beaucoup de cas, il n'est pas vraiment necessaire de considerer les orbitales de l'autre atome (point 1 dans mon message #5).

Un cas (point 2) ou il faut le faire cependant est par exemple le saphir (un corindon bleu sombre, donc Al₂O₃) ou les elements qui jouent un role sont Fe³⁺ et Ti⁴⁺. La couleur bleu sombre est cree par l'electron du fer, qui saute sur une orbitale du titane (donc temporairement, on a Fe⁴⁺ et Ti³⁺). Une telle configuration etant instable, l'electron retourne sur une couche du fer, et est responsable de la couleur bleue.

Pour de nombreux mineraux, c'est du cas par cas.

Mais dans le cas de trois atomes liés "désexcités" au même instant (façon de parler ! même instant pour nos yeux) ? pour la première liaison on peut avoir le 1er cas (émission rouge) et pour la deuxième liaison on peut avoir le 2e cas (émission bleu); Dans l'ensemble nous observons du vert !

Oui, la couleur generale peut aussi etre la resultante de deux longeurs d'onde emises par deux electrons differents. Cela est valable aussi pour un atome seul avec deux electrons excites simultanement.

Bon... par-contre c'est l'inverse comme tu viens de me dire, Fe2 bleu et Fe3 Rouge, heu... ???

Cherche pas trop a comprendre les details d'un exemple particulier, Fe2+ (vert-bleu) et Fe3+ (jaune-rouge) sont les observations les plus communes, avec de nombreuses exceptions comme l'exemple que j'ai montre plus haut, on peut avoir du Fe3+ et toujours avoir une couleur bleue. Pour trouver l'explication du pourquoi du comment, il faut creuser dans la physique quantique et la, je ne peux que te renvoyer en physique, c'est au dela de mes connaissances.

et si oui, pourquoi telle ou telle "désexcitation" ?

Les raisons des emissions possibles sont lies aux etats des differents atomes et la structure cristalline de chaque mineral.

autre question : on ne dit pas "couche" mais "orbitale" ?

C'est la meme chose; c'est juste que les couches ne sont pas toujours des couches concentriques, mais c'est un detail.

T-K

[PPathfindeRR]

oh, ta remarque du point 1 du messages #5, je l'ai lu, mais elle ne m'a pas sauté aux yeux sur l'instant !
Tiens, je ne savais pas que les orbitales pouvaient changer, qu'un ion+ (et ion-, je suppose aussi) n'émettent pas les mêmes couleurs qu'un atome électriquement neutre !

Et pour ma question du graphite et diamant (#7) ?

En tous cas, merci beaucoup T-K pour tes réponses claires, j'y vois déjà mieux maintenant !
je comprend maintenant Dr.Zoidberg lorsqu'il a dit : "ou alors T-K passera t'expliquer tout ça".

"chouette, j'ai trouvé un nouveau prof !"

[Tawahi-Kiwi]

Et pour ma question du graphite et diamant (#7) ?

La structure cristalline, l'agencement des atomes, la densite, la durete,....la couleur,....sont tous au final lies a l'environnement electronique des atomes. Dans le cas du diamant et du graphite, le type de liaison entre les atomes de carbone est different dans les deux cas. Si le type de liaison est different (et dans ces deux composes, tres differents), les couches electroniques sont differentes et peuvent donc donner des couleurs differentes.

T-K

[PPathfindeRR]

Bonjour,

En fait je posais la question aussi sur l'opacité et la transparence, pour comprendre un peu mieux comment les photons et électron agissent.
Je me posais donc les questions suivantes, sur comment fonctionnent un reflet, parfois le reflet et "blanc", parfois il est coloré et ce sans correspondre à la couleur de la lumière ni de l'objet, et parfois même il est de toutes les couleurs selon l'angle ou l'on regarde (comme les peintures nacrées).
Je me posais également la question, pourquoi certain objet ont ils une "couleur" noire, qu'ils absorbent toutes les couleurs, donc tout les photons, mais comment peuvent-ils ne pas réémettre de couleur, ne pas réémettre de photons (sauf une partie pour le reflet, un objet noir avec des reflets rouges par exemple) ?

Ma question devient là, peut-être un peu compliquée !

merci quand même pour toutes les réponses.