Nous avons vu dans le chapitre 1 que les éléments chimiques s’associent dans le vivant sous forme de structures complexes : les cellules. On s’intéresse maintenant à l’organisation de la matière inerte, et principalement des roches.

Problème : Comment sont organisées les entités chimiques dans roches ?

I- Les échelles d’organisation d’une roche.

A- De l’atome à la roche

TP1 – L’organisation cristalline + Atelier 3 +  Tableau à compléter

Dans les roches, les éléments chimiques (atomes, ions, molécules) s’assemblent selon une géométrie bien précise qui définit une maille élémentaire.
Cette maille élémentaire, si elle est répétée de manière régulière dans les trois directions de l’espace, forme un cristal (ou réseau cristallin).

L’assemblage de plusieurs cristaux identiques (de même composition chimique et de même maille) forme un minéral.
L’assemblage de plusieurs minéraux identiques ou différents permet de former une roche.

Une roche est donc formée de minéraux, qui sont eux même formés de cristaux, qui sont eux même des assemblages de mailles élémentaires, qui sont-elles formées d’éléments chimiques.

Définitions :

  • Maille élémentaire : Une maille est un arrangement géométriquement organisé d’éléments chimiques (atomes, ions, molécules). C’est le « motif de base » qui est répété pour former un cristal.
  • Cristal: solide formé de la répétition régulière de la maille élémentaire dans les 3 directions de l’espace.
  • Minéral : Un minéral est un solide inorganique naturel formant les roches. Un minéral peut être cristallisé lorsque ses éléments sont ordonnés (en maille élémentaire) ou non cristallisé (=vitreux) lorsque ses éléments ne sont pas ordonnés géométriquement.

 

B- Caractéristiques d’un cristal

Un cristal est caractérisé par :

  • la nature des atomes ou ions qui le composent  (exemple : Na+ et Cl- pour le cristal de sel)
  • la forme de sa maille (cubique, hexagonale …)
  • la disposition des entités chimiques dans la maille : c’est-à-dire le réseau cristallin (simple, faces centrées …)

C- Caractéristiques de la maille élémentaire. 

On a vu que chaque maille élémentaire était caractérisée par sa forme, son réseau cristallin et sa composition chimique. Ces caractéristiques lui donnent des paramètres physico-chimiques qui lui sont propres :

  • La multiplicité  est le nombre d’atome par maille
  • La compacité est le volume occupé par les atomes dans la maille

La multiplicité et la compacité de la maille vont définir sa masse volumique, sa dureté et de nombreuses autres propriétés du cristal. Ainsi, ce sont les propriétés de la maille qui déterminent les propriétés du minéral

Formules de la multiplicité et la compacité d’une maille : 

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II- Origine de la diversité des roches

A- Origine de la couleur des roches.
La couleur des roches varie en fonction des minéraux qui la composent. La couleur des minéraux est due à leur composition chimique.
Par exemple, un granite sera rose si il contient des minéraux de type feldspaths comme l’orthose contenant du potassium, et blanc s’il contient des feldspaths plagioclases qui contiennent du sodium et du calcium.

 

 

 

 

 

B- Diversité de texture et conditions de refroidissement.
Lors du refroidissement, un magma peut former des roches ayant des textures différentes :

– Les roches à texture grenue contiennent de gros minéraux visibles à l’œil nu. Cela indique que le magma a refroidi lentement (sous terre, à température élevée) :  les cristaux ont donc eu le temps de grossir.

– Les roches à texture microlithique contiennent de petits minéraux. Le magma a refroidi vite (à l’air libre lors d’une éruption volcanique) :  les cristaux n’ont donc pas eu le temps de grossir.

– Les roches à texture vitreuse sont formées de verre. Le verre est un minéral non cristallisé : les éléments chimiques ne présentent pas d’arrangement géométrique particulier. Ils forment un minéral amorphe (sans forme).
Le verre se forme par refroidissement très rapide du magma (dans l’eau par exemple), ce qui empêche l’organisation géométrique des entités chimiques et donc la formation de cristaux.

C- Origine des minéraux polymorphes.
Des minéraux peuvent avoir une composition chimique identique mais des mailles cristallines différentes : on les appelle minéraux polymorphes. Ces minéraux ont des propriété différentes (dureté, masse volumique ….)

Par exemple, le graphite et le diamant sont tous deux des cristaux de carbone, mais leur maille est différente. La compacité du diamant étant plus élevée (car sa maille est différente) , sa dureté est plus grande. La masse volumique du diamant étant plus élevée (car sa maille est différente), sa densité est plus grande

La géométrie de la maille dépend des conditions de formation :  en fonction de la pression et de la température, la maille formée ne sera pas la même pour une composition chimique donnée.

La pression et la température dépendent elles-mêmes de la profondeur de cristallisation.