I) Atomes et minéraux

1) Atomes et isotopes

a) Le tableau périodique des éléments




Ce tableau comporte 103 éléments stables ou non, rangés en périodes (lignes) et groupes (colonnes). Ce tableau est fait en tenant compte du remplissage des couches électroniques des atomes.
Ainsi, on trouve par exemple, le groupe B qui sont les éléments de transition :
       -1ère colonne, ce sont les alcalins,
       -2ème colonne, ce sont les alcalinoterreux, ces deux premières colonnes ne comportent pas d'éléments retrouvé en grand nombre dans le manteau, par contre, il y en a beaucoup dans la croûte terrestre.
       -l'avant dernière colonne abrite les halogènes, hautement réactifs.
       -la dernière colonne compte les gaz rares, c'est à dire inertes. Les métaux noble (ex : Au c'est à dire l'or) ne réagissent pas avec le dioxygène.

Les atomes indispensable à la vie sont le C, N, O, P, S, H. On les retrouve soit dans l'atmosphère soit dans l'hydrosphère.
Ensuite, les atomes du genre Si (silicium), O…. constituent prés de 95% de la croûte terrestre et du manteau.
Les alcalinoterreux (IIA) quant à eux possèdent une valence +2 et sont très réactif à l'oxygène.
Les VIIA (halogène) se trouvent surtout dans les océans, et dans les minéraux hydratés.
De IIIA à VIA surtout période 2 et 3, on trouve beaucoup d'éléments essentiels à la vie, et ils se retrouvent facilement dans l'atmosphère et la croûte terrestre.

Les éléments du groupe B sont des éléments de transitions qui rassemble les métaux commun et précieux (en général) dans le globe terrestre.

Ce tableau permet de voir aussi, l'évolution de l'électronégativité des éléments, qui augmente de gauche à droite et de haut en bas ainsi que le rayon atomique, qui augmente de haut en bas et de droite à gauche.

b) Les constituants du sol

On distingue 2 types d'éléments, ceux dont les concentrations se trouvent dans l'ordre du pourcent (O, Si, Al, Fe, Mg…), et ceux qui ont des concentrations se comptant en ppm (partie par million), c'est donc un élément en trace.

      *Les éléments majeurs :
Ainsi, le pourcentage de répartition du poids de la croûte terrestre se sépare entre, O représentant presque 50%, le Si avec prés de 30%, l'Al étant au alentour de 8%, le Ca et le Fe avec prés de 4% chacun puis viennent le Na, le Mg et K qui représente presque 2.5%, et enfin le Ti avec 0.4%. Les 1% restant est constitué du reste des atomes figurant dans le tableau périodique des éléments.

      *Les éléments en trace :
Leur étude s'est développée grâce au perfectionnement des méthodes d'analyse, par exemple, le Bore varie comme la salinité de l'eau de mer, en fait, il est incorporé dans les minéraux argileux et les carbonates. Il est possible d'ailleurs d'évaluer la salinité des anciens milieux de sédimentation grâce à cet élément.

c) Les isotopes stables

De nombreux éléments naturels possèdent 2 ou plus d'isotopes. Un isotope est caractérisé par un n° atomique Z en indice et un nombre de masse A en exposant. Le nombre de neutrons N définissant l'isotope est N=A-Z.

Ex : l'isotope 16 de l'oxygène comporte 8 protons et 8 neutrons alors que l'isotope 15 de l'oxygène comporte 8 protons et 7 neutrons.

Or lors de processus physique ou chimiques les isotopes légers réagissent plus vite que les lourds, donc il y a un fractionnement entre leur quantité respective. Donc le rapport : [Isotope léger] / [Isotope lourd] va être modifié. Ce fractionnement opère en fonction de la Température et dépend de la nature des liaisons chimique au sein des molécules, grâce à cela, on a pu reconstitué des températures d'un milieu à une certaine époque. Si on met, la température en ordonné, et le rapport des concentrations des isotopes en abscisse, cela donne une droite.

d) Les isotopes radiogéniques/instables

Beaucoup d'atomes sont instables et se désintègrent pour former de nouveaux éléments avec émission de particules et d'énergie. Le taux de décroissance radioactive est proportionnel au nombre d'atomes restant au temps t considérée. Ainsi, chaque atome radioactif est caractérisé par une constante de désintégration (ordre de grandeur 10 à 100 milliards années). L'atome se désintègre et donne un atome radiogénique. C'est cela qui permet la datation de minéraux, roche… Ceci a permis aussi l'établissement des échelles chronologiques absolues des évènements géologiques (c'est différent de la chronologie relative, faite à partir de l'étude des dépôts sédimentaires successifs).

Ex : 87Rh ---> 87Sr + ß + µ + Q avec ß un électron, µ un antineutrino, et Q, étant l'énergie de désintégration.

Application : C'est donc comme cela que les roches les plus ancienne de la Terre ont été datée à environ 3.9 milliards d'années. Et l'age des météorites a permis de donner un age à la Terre, et cet age est d'environ 4.6 milliards d'années.

Je vous fais grâce de la loi de décroissance radiogénique.

2) L'organisation des minéraux

Qu'est-ce qu'un minéral ? C'est un solide macroscopiquement homogène, de composition chimique et de structure atomique définie. La plus part des minéraux se présente sous forme de cristaux sauf pour le verre volcanique (roche basaltique). Un cristal est caractérisé par un réseau cristallin correspondant à la répétition d'une maille tridimensionnelle, constitué par des ions. Ils représentent des formes géométriques régulières si le cristal a une croissance libre. Un minéral est stable dans certaine gamme de température et de pression. Tous les minéraux cristallisent selon 7 systèmes géométriques caractérisés par leurs éléments de symétries (centre, plan, axes…).



La multiplicité des formes réalisées par les cristaux découle de 3 facteurs :
      -La forme des systèmes cristallins,
      -Les troncatures (utilisé en bijouterie), c'est à dire que l'on enlève des coins pour obtenir des faces triangulaires.
      -Les dimensions de la maille unitaire.
La maille : Enveloppe du plus petit parallélépipède de matière conservant toutes les propriétés géométriques, physiques et chimiques du cristal et contenant suffisamment d'atomes pour respecter sa composition chimique.
Des minéraux ayant la même composition chimique peuvent cristalliser dans des systèmes cristallins différents, donc, ils auront des propriétés différentes.

3) Les minéraux des roches terrestres

Il y a environ 2000 minéraux connus, les plus connus étant les silicates, les carbonates, les phosphates, sulfates, chlorures, les oxydes, sulfures. Les silicates représentent 95% de la masse de la croûte terrestre, cette famille compte prés de 600 minéraux différents. La brique élémentaire des silicates est le tétraèdre [SiO4]4-. Les charges sont neutralisées par polymérisation des tétraèdres (Quartz SiO2) ou par des cations (du genre Al3+ + un ion de valence +1).

SCHEMA DU TETRAEDRE.

Le cation Al3+ a un petit rayon ionique (0.05nm), voisin de Si4+ (0.04nm) qui permet une substitution dont la différence de valence est constitué par l'introduction d'autres ions. Ex : famille des aluminosilicates NaAlSi3O8.

a) Les silicates : 6 structures différentes

*Les néosilicates : Formé de tétraèdre isolés et saturés par 1 ou plusieurs cations, comme :

-l'olivine : (Mg, Fe)2SiO4, Lorsque la roche est composée de fer, elle porte le nom de fayalite, et lorsque c'est du magnésium, elle se nomme forsterite. L'olivine est un orthorhombique.
-Zircon : ZrSiO4 (quadratique).
-Les grenats : Fe3Al2(SiO4)3, l'Almandin.

*Les sorosilicates : Formé de tétraèdres associés par paire grâce à un oxygène commun.

Ex : la mélilite : (Ca,Na)2(Fe,Al,Mg,Si)3O7.

*Les cyclosilicates : Formé de tétraèdres associés en anneaux.

Ex : Le groupe des béryls : l'émeraude Be3Al2(Si6O18), le cordiérite (Si5AlO18)(Al3, Fe, Mg)

*Les inosilicates : Formés de tétraèdres disposés en chaine.

Ex : le pyroxène : Hyperstère [Si2O6](Fe, Mg)2. C'est une chaine simple.
Ex : A chaine double : 2 chaine identique se soude avec insertion d'un radical OH- au centre d'un hexagone formé par des tétraèdres. Ce sont des minéreau hydratés comme l'Amphibole [Si6O22](Ca2Mg4)(OH)2 (monoclinique).

*Les phyllosilicates : Formés de tétraèdre disposés en feuillets.

L'empilement des feuillets est rendu solidaire par des feuillets intermédiaires où s'associent des radicaux OH- et des cations. Les minéraux sont hydratés. Ex : argile, talc [Si4O10] (OH)2 (Mg)3. On retrouve aussi les micas.

*Les tectosilicates : Formés de tétraèdres disposés en charpente tridimensionnelle.

Tous les tétraèdres sont reliés entre eux par leurs sommets. Il n'y a pas de valence libre. Ex : le quartz SiO2, Feldspates comme l'orthose (AlSi3O8)K (monoclinique), l'albite (AlSi3O8)Na (triclinique).

b) Les carbonates

Les carbonates sont les composant majeur des dépots sédimentaire marin. Ils sont aussi sécrétés par des invertébrés marins. Ils représentent 20% des sédiments sur les continents.

Elément de base : CO32- qui se combine avec un cation divalent Ca2+ ou Mg2+.
Ex : Calcite, Argonite : CaCO3.
Ex : Dolonite : (Ca, Mg)CO3.

c) Les phosphates

L'élément de base : PO43-. Il forme un tétraèdre capable de se combiner avec un cation divalent du genre Ca2+.
Ex : l'apatite : Ca5 [PO4]3(OH, F), c'est un des constituant des os, des dents chez les vertébrés.

d) Autres minéraux

*Sidérites : chez les carbonates : Fe CO3.
*Gypse chez les sulfates : CaSO4/2H2O.

II) L'univers et la nucléosynthèse

1) L'hypothèse du Big Bang :

Selon ce modèle, l'Univers résulterait de l'explosion d'un "amas contenant toute la matière dans un état encore mal défini". Cette explosion aurait provoqué la formation des nucléons puis des noyaux donnant un peu après les atomes (300000 ans après l'explosion). A ce stade, seul l'hydrogène (H) et l'hélium (He) (à peu prés l'essentiel de la masse connu de l'univers) existent. L'expansion de l'univers et le rayonnement fossile à 3K (3°Kelvin, cette température est très proche du 0 absolu, -273.15°C) serait des conséquence directe de cette explosion.

2) L'âge de l'Univers :

Trois argument apportent des informations sur l'âge de l'univers : L'éloignement des galaxies, en se servant de l'équation v = d/t, il arrive à v = 0 lorsque t = 15-20 milliards d'années. Ensuite, avec les étoiles, leurs tailles et leurs luminosités nous donnes leurs ages, les plus vieille ont entre 14 et 16 milliards d'années. Enfin, avec les radio isotopes, ils estiment que la désintégration de ces isotopes a commencer il y a 15-17 milliards d'années. Ainsi, l'Univers aurait entre 15-20 milliards d'années. Ceci restera vrai jusqu'à la découverte de plus lointaines étoiles….

3) Les étoiles :

La composition de l'Univers en terme d'atomes se résume essentiellement à 2, l'H et l'He, cependant, il y a des traces d'oxygène, de carbone, de magnésium, de silicium, de fer et de quelques autres éléments. Dans certaines régions de l'Univers, des nuages de gaz et de poussières se regroupent sous l'effet de la gravitation. A un certain stade, cette condensation de matière est freinée par l'augmentation de la pression et de la température. Lorsque la température atteint quelques millions de degrés, la fusion nucléaire peut alors s'amorcer. L'étoile se met à rayonner et devient visible, les réaction se fond au cœur de l'étoile et la lumière met un certain temps avant de sortir de l'étoile (tout dépend de son rayon). La fusion nucléaire donnera naissance à des atomes plus gros, plus lourd que l'H et l'He.

La nucléosynthèse : processus de création des éléments chimiques.

L'H et l'He se sont formés peu après le Big Bang, mais la nucléosynthèse n'a pu aller plus loin en raison de la très grande vitesse d'expansion et du manque de collision et de la diminution de température qui en résulte. Dans les étoiles, lorsque la contraction gravitationnelle est suffisante, le cœur de l'étoile atteint une température de plus de 10 millions °C. La fusion de l'hydrogène ou de Deutérium (isotope de l'H) en He ou isotope d'He peut s'opérer. C'est la phase " proton-proton " SCHEMA. C'est la phase la plus longue de la vie d'une étoile (10 milliards d'année pour le soleil, il a déjà au moins 5 milliards d'années). Cette réaction libère une quantité d'énergie colossale et permet à la Terre d'avoir une température idéale (permis aussi grâce à l'effet de serre, sans, la température serait de -18°C en moyenne ce qui serait déjà chaud par rapport à certaines planètes ou satellites). Quand l'essentiel de l'H est consommé et transformé en He, l'étoile se contracte, il y a alors augmentation de la température et de la pression. L'augmentation de température permet de nouvelle réaction nucléaire permettant à des éléments plus lourds de naître. A cette température, l'He permettra la synthèse de carbone (C) et d'oxygène (O), ces réactiont se passeront au cœur de l'étoile alors qu'en périphérie, le reste de l'H donnera de l'He, à ce stade, une géante rouge sera formée. C'est le stade final pour beaucoup d'étoile (notre soleil le deviendra). Quand la masse de l'étoile est encore plus grande, il y aura formation d'atomes plus lourds comme le sodium (Na), le silicium (Si), le phosphore (P), le souffre (S)… Si la masse de l'étoile est encore plus grande, l'étoile donnera naissance en fin de vie à une super géante rouge. C'est la que le fer sera crée. On ne peut aller plus loin que le fer. Le fer provient de l'O et du Si.
Cette succession de réaction de fusion et la stabilité connue des noyaux des différents atomes expliquent les variations observées et l'abondance des différents éléments dans le système solaire. Plus un élément est lourd et moins il y en aura dans l'Univers. Le Bore, le lithium te le Béryllium, qui sont des élément plus léger que le fer sont pourtant rares. Cela s'explique car ils sont rapidement détruits à des températures très élevées. Ils sont crées à l'occasion d'une collision entre un rayon et un atome (qui cassera). Dans le tableau périodique, le Fer est entouré d'autres éléments qui sont peu répandu dans l'Univers, cela s'explique par une très grande stabilité du fer vis-à-vis de ces autres éléments.
Les atomes ayant un nombre paire en masse atomique sont plus stable que ceux qui ont un nombre impair.

Lorsque l'étoile a une masse égale à notre soleil, elle donnera une géante rouge, puis une nébuleuse planétaire puis une naine blanche. Mais quand sa masse équivaut à 10-15 de notre soleil, elle donnera une géante rouge puis une supernovae (explosion équivalent à mini big bang qui dans les grands nuages permet la naissance de nouvelles étoiles grâce à la compression que l'explosion provoque sur ces gaz). Après ce stade de supernovae, il peut y avoir formation de trou noir (cœur de la supernovae contracté) ou d'une étoile à neutrons. La supernovae permet la création d'éléments plus lourd que le fer.