Comment sait-on qu'il y a des ions dans les minéraux ?

[jacovador]

Bonjour,

Je me pose une question sur la nature ionique des minéraux.

Je prends l'exemple de l'Ilvaite.
Dans le livre "300 roches et minéraux" de Rupert Hochleitner (éditions delachaux et niestlé), on donne la formule :
Ca Fe²⁺₂ Fe³⁺ [OH/O/Si₂0₇]

Sur le site de mindat, on trouve la même formule :
https://www.mindat.org/min-2016.html

Je comprends que dans la maille du cristal, il y a 2 cations Fe²⁺ et 1 cation Fe³⁺
Mais je me demande comment on obtient cette information.

Est-ce simplement qu'en voulant équilibrer les charges des anions : Si₂0₇ : -6 ; OH : -1 ; O : -2 => total : -9
Pour les cations on sait: Ca : +2 ; Fe : +2 ou +3
=> pour équilibrer, il n'y a qu'une solution : 2 Fe²⁺ et 1 Fe³⁺ ?

Ou bien, en regardant dans le motif cristallin quel est l'environnement des 3 atomes de fer, on peut en déduire si c'est un Fe²⁺ ou un Fe³⁺ ?

Ou bien, il existe une méthode (physique ou chimique) que j'ignore pour déterminer les ions d'un minéral ?

Ou bien il existe un autre minéral de même structure dans lequel le cation Fe³⁺ est remplacé par un autre cation toujours trivalent ?
...

Si quelqu'un peut m'éclairer sur cette question, je lui en serais reconnaissant ..
Cordialement,
Jacques
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[Tawahi-Kiwi]

Salut,

Je comprends que dans la maille du cristal, il y a 2 cations Fe²⁺ et 1 cation Fe³⁺
Mais je me demande comment on obtient cette information.

Un peu tout ce que tu cites suivant le type d'etude voulu (en gros, a quel point on veut determiner precisement l'etat d'oxydation et/ou la structure cristalline)

Tout les elements dans les mineraux (sauf composes purs, alliages etc.) sont sous forme d'ions. La nomenclature mineralogique ne met l'etat d'oxydation des elements que lorsque celui-ci est ambigu. Cela ne s'applique car certains elements (Fe, Mn, Cu, V, Cr, Sn, Pb et quelques autres moins communs). De tres tres loin, c'est Fe et Mn qui sont le plus souvent indique).

Pour l'analyse de routine, pour la determination basique de la composition chimique de phases minerales, on se base essentiellement sur l'equilibre de charge et les substitutions isovalentes (ex: Al³⁺ <=> Fe³⁺, Mg²⁺ <=> Fe²⁺ sont tres tres courante (voir jadeite <=> Aegyrine ou Forsterite <=> Fayalite, etc.).

Pour l'analyse plus approfondie et des determinations cristallochimiques etc., cela peut s'obtenir par une analyse chimique plus fine. Lorsqu'on analyse une magnetite (Fe₃O₄), la methode a l'ancienne (chimie par voie humide) consiste a faire de la titration pour etablir l'etat d'oxydation moyen du fer (en l'occurence pour la magnetite, Fe^2,66+ qui revient a 2*Fe³⁺+1*Fe²⁺.

Les techniques plus modernes (mais surtout plus rapides et/ou sur des echantillons de masse beaucoup plus faible) se font par equilibre des charges lorsque c'est possible. L'ilvaite est possible. Un mineral contenant Fe³⁺, Fe²⁺, Mn⁴⁺, Mn³⁺, Mn²⁺ l'est beaucoup moins et il faut passer par d'autres techniques ou faire des suppositions raisonables.

Reste tout ce qui est diffraction et affinement de structure cristalline qui peut determiner la quantite d'elements (et de leur etat d'oxydation) dans un site cristallin.
Pour le fer en particulier, la spectroscopie Mossbauer est egalement utilisee pour etablir l'etat d'oxydation. Ces deux dernieres techniques ne s'appliquent le plus souvent que lorsque l'on veut faire de la cristallochimie.

T-K

[jacovador]

T-K,

Merci pour cette réponse pleine d'informations que je vais digérer lentement ...

Et merci pour l'exemple de la magnétite, dont on voit, d'après la formule qu'elle doit contenir un mélange de Fe²⁺ et Fe³⁺.
Cet exemple est plus simple et plus commun que celui que j'avais utilisé (l'Ilvaite), un minéral dont je n'avais jamais entendu parlé avant de le chercher et le trouver ...

Lorsqu'on analyse une magnetite (Fe₃O₄), la methode a l'ancienne (chimie par voie humide) consiste a faire de la titration pour etablir l'etat d'oxydation moyen du fer (en l'occurence pour la magnetite, Fe^2,66+ qui revient a 2*Fe³⁺+1*Fe²⁺.

Si je comprends cette méthode chimique, on commence par "dissoudre" un peu de magnétite dans de l'eau pour obtenir des ions et on titre ces ions.
J'en conclus que si on arrive à dissoudre un minéral dans de l'eau et qu'on voit apparaître des cations métalliques dans l'eau, on en "déduit" que ces ions étaient présents dans le minéral. Ce qui assez logique après tout.

Sinon, le pourquoi de mon interrogation initiale est que je m'intéresse à la couleur des minéraux et on attribue souvent cette couleur aux impuretés du minéral. Par exemple, les ions Cr³⁺ donnent souvent une couleur rouge.

Encore merci pour ce post.

[jacovador]

Je viens de regarder le modèle JSmol de la magnétite sur le site mindat.
On voit que les atomes de fer n'ont pas toujours le même "environnement" en atomes d'oxygène.
Certains sont en situation octaédriques (avec 6 liaisons à angle droit) et d'autres sont en situation tétraédrique (4 liaisons avec le bon angle qui va bien pour faire un tétraèdre régulier).
J'imagine que les premiers sont les Fe³⁺ et les seconds, les Fe²⁺

[A voir en vidéo sur Futura]

[Tawahi-Kiwi]

Sinon, le pourquoi de mon interrogation initiale est que je m'intéresse à la couleur des minéraux et on attribue souvent cette couleur aux impuretés du minéral. Par exemple, les ions Cr³⁺ donnent souvent une couleur rouge.

Cr⁶⁺ est typiquement rouge (les ions chromates), c'est le cas de la crocoite, la lopezite. Cr³⁺ qui est beaucoup plus commun, en substitution de Al³⁺ ou Fe³⁺ est vert (chromite, ouvarovite, kosmochlor) qui sont les versions 'vertes' des spinelles, grenat, pyroxene....

Les couleurs sont souvent indicatifs de certains ions colorants, mais pas toujours. Dans certains cas, c'est la combinaison de deux ions ou leur environnement chimique qui cree une couleur specifique. De maniere generale, pour le fer, 2+ tire vers les vert. 3+ plutot vers les rouges

Je viens de regarder le modèle JSmol de la magnétite sur le site mindat.
On voit que les atomes de fer n'ont pas toujours le même "environnement" en atomes d'oxygène.
Certains sont en situation octaédriques (avec 6 liaisons à angle droit) et d'autres sont en situation tétraédrique (4 liaisons avec le bon angle qui va bien pour faire un tétraèdre régulier).
J'imagine que les premiers sont les Fe3+ et les seconds, les Fe2+

Oui, la magnetite a une structure spinelle (MgAl₂O₄) de la forme AB₂O₄ ou A(2+)=Fe,Mg,Mn,Zn,Co,Ni et B(3+)=Al,Fe,Cr,V avec quelques exceptions quand le titane 4+ est present. La magnetite est le cas ou A=Fe et B=Fe.

T-K

[jacovador]

Cr⁶⁺ est typiquement rouge (les ions chromates), c'est le cas de la crocoite, la lopezite. Cr³⁺ qui est beaucoup plus commun, en substitution de Al³⁺ ou Fe³⁺ est vert (chromite, ouvarovite, kosmochlor) qui sont les versions 'vertes' des spinelles, grenat, pyroxene....

Oui, l'ion Cr³⁺ ne colore pas toujours en rouge. J'avais regardé un peu trop rapidement la page 115 du livre "Lumière et luminescence" de Bernard Valeur.
On y dit que l'ion Cr³⁺ colore en rouge le rubis de Birmanie, le rubis de Ceylan et le pyrope. Mais il colore en vert l'émeraude.

[jacovador]

Pour le fer en particulier, la spectroscopie Mossbauer est egalement utilisee pour etablir l'etat d'oxydation.

Merci pour la découverte de cette technique.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Spectr...M%C3%B6ssbauer

Je n'ai pas compris tous les détails, mais ça me semble très malin de jouer avec l'effet Doppler en agitant la source.
Chapeau M. Mossbauer !

[jacovador]

Tous les elements dans les mineraux (sauf composes purs, alliages etc.) sont sous forme d'ions. La nomenclature mineralogique ne met l'etat d'oxydation des elements que lorsque celui-ci est ambigu.

Je comprends mieux pourquoi on parle presque toujours de cations et d'anions en minéralogie, même si les liaisons ne sont pas à 100% ioniques.

Je me pose une question concernant le quartz (SiO₂).
En tant qu'oxyde on peut y voir des cations Si⁴⁺ et des anions O_2-

Mais pourquoi ne pas voir le quartz comme un silicate de silicium avec des cations Si⁴⁺ et des anions SiO₄^4- ?
L'une de ces deux visions est-elle plus "vraie" que l'autre ?

[Tawahi-Kiwi]

Oui, l'ion Cr³⁺ ne colore pas toujours en rouge. J'avais regardé un peu trop rapidement la page 115 du livre "Lumière et luminescence" de Bernard Valeur.
On y dit que l'ion Cr³⁺ colore en rouge le rubis de Birmanie, le rubis de Ceylan et le pyrope. Mais il colore en vert l'émeraude.

En effet. Les couleurs sont plein d'exceptions et de subtilites
Car le rubis (Al,Cr)₂O₃ ou Cr est present a raison de 0,1 a 1% de chrome maximum, mais l'eskolaite (Cr,Al)₂O₃ est invariablement verte (sombre).
Le pyrope est naturellement rouge-violet [Mg₂(Al,Cr)₃(SiO₄)₃] avec ou sans chrome qui peut eventuellement booster la couleur; mais la knorringite [Mg₂(Cr,Al)₃(SiO₄)₃] est invariablement verte.

C'est un peu ce que je voulais dire avec "combinaison de deux elements", en l'occurence, l'interaction entre aluminium et chrome au niveau electronique.

Je me pose une question concernant le quartz (SiO2).
En tant qu'oxyde on peut y voir des cations Si4+ et des anions O2-

Mais pourquoi ne pas voir le quartz comme un silicate de silicium avec des cations Si4+ et des anions SiO44- ?
L'une de ces deux visions est-elle plus "vraie" que l'autre ?

En petrologie (etude des roches, de leur stabilite, de leur assemblage mineralogique etc.), la silice est presque toujours consideree comme un tectosilicate. Meme dans un magma liquide, le silicium est sous forme d'ions [SiO₄]^4-. Les cas ou le silicium doit etre traite de maniere independante de [SiO₄]^4- sont tres rares (environnements ultra-reducteurs, meteorites, impacts de meteorites, environnement d'ultra haute pression,...)

Il y a deux grandes classifications mineralogiques, Dana et Strunz. Strunz considere toutes les formes de silice comme des oxydes de silicium. Dana est ambigu. Le quartz (SiO₂ rhomboedrique ou hexagonal), la cristobalite (quadratique), la tridymite (triclinique), la coesite (monoclinique) et la moganite (monoclinique) sont consideres comme des tectosilicates MAIS, la stishovite (quadratique) est un oxyde (une structure similaire au rutile TiO₂ d'ailleurs). Je pense que le raisonnement derriere cela est que dans la stishovite, le silicium n'est pas en coordination tetraedrique [SiO₄]^4- mais octahedrique [SiO₆]^8-.

Je ne pense pas qu'une vision est plus correcte que l'autre. C'est juste un cas ou les classifications divergent suivant les criteres employes.

Mais pourquoi ne pas voir le quartz comme un silicate de silicium avec des cations Si4+ et des anions SiO44- ?

On pourrait. Un isotype du quartz (composition chimique differente mais structure cristalline identique) est la berlinite AlPO₄. Tu remplaces un silicium par un aluminium et l'autre par du phosphore. Ta version "cations Si⁴⁺ et des anions SiO₄^4-" devient cations Al³⁺ et des anions PO₄^3-. C'est plus evident avec Al(PO₄) qu'avec Si(SiO₄) mais la logique est la meme.

[jacovador]

En effet. Les couleurs sont plein d'exceptions et de subtilites
Car le rubis (Al,Cr)₂O₃ ou Cr est present a raison de 0,1 a 1% de chrome maximum, mais l'eskolaite (Cr,Al)₂O₃ est invariablement verte (sombre).

C'est subtil en effet, si on passe de la couleur rouge au vert selon la proportion Al/Cr, alors que s'il y a 100% d'Al, le minéral est incolore ...

Au passage, j'ai encore une petite question : quand on écrit (Cr,Al)₂O₃, avec Cr avant Al dans la parenthèse, cela sous entend que Cr est en plus grande proportion ? Y-a-t-il une façon d'écrire qu'un élément est sous forme de "traces" ?

Meme dans un magma liquide, le silicium est sous forme d'ions [SiO₄]^4-

Si, dans un magma liquide, il existe des ions [SiO₄]^4-, pour assurer l'équilibre électrique, il faut des cations (Si⁴⁺ ?). Le cristal, en fondant fait jouer deux rôles différents aux atomes de silicium, alors qu'ils sont indiscernables dans le motif cristalin. C'est troublant. Mais je suis peut-être un peu trop "rigide" sur les symétries !


Encore un grand merci pour toute cette discussion.

[Tawahi-Kiwi]

Au passage, j'ai encore une petite question : quand on écrit (Cr,Al)₂O₃, avec Cr avant Al dans la parenthèse, cela sous entend que Cr est en plus grande proportion ? Y-a-t-il une façon d'écrire qu'un élément est sous forme de "traces" ?

Une parenthese dans une formule mineral veut dire que ce sont des elements qui se distribuent sur un site cristallin (ou plusieurs identiques ou similaires).
Dans une formule (Mg,Fe,Mn)₂SiO₄ (forsterite, l'olivine au magnesium), il y a deux sites quasi-identiques contenant les elements divalents.
Mg est le plus abondant, suivi de Fe, suivi de Mn.
Typiquement, sauf exception, on se limite a 1% de remplissage du site comme limite inferieure de representation (X_0.01).
On peut representer (par exemple) la formule du type: (Mg_0.58Fe_0.38Mn_0.04)₂SiO₄.
On peut toujours representer des traces "abondantes" ex: Ni_0.003 mais on ne le fait que s'il y a un but car si on fait cela systematiquement pour certains mineraux, on se retrouverait avec des formules tellement longues qu'elles seraient illisibles.

Si, dans un magma liquide, il existe des ions [SiO₄]^4-, pour assurer l'équilibre électrique, il faut des cations (Si⁴⁺ ?). Le cristal, en fondant fait jouer deux rôles différents aux atomes de silicium, alors qu'ils sont indiscernables dans le motif cristalin. C'est troublant. Mais je suis peut-être un peu trop "rigide" sur les symétries !

Il n'y a pas dans la nature de magma de silice. Il faut des temperatures trop elevees qui ne se trouvent pas la ou la silice pure se trouve. Le concept des [SiO₄] ne fonctionne sans doute plus tres bien pour de la silice pure fondue. En pratique, les magmas riches en silice (ex: granitoides) ont plein de sodium, potassium, calcium, aluminium, magnesium, fer, etc. pour avoir un magma neutre electriquement.

T-K

[jacovador]

Merci pour ces dernières explications.

Maintenant, je crois que je vais prolonger artificiellement la discussion jusqu'à obtenir le privilège d'avoir le 12 000ème message de Tawahi-Kiwi !
(note pour les administrateurs du site : ne me bannissez pas, je plaisante)

[Tawahi-Kiwi]

Encore un grand merci pour toute cette discussion.

C'est toujours un plaisir quand l'interlocuteur montre qu'il reflechi