MINERAUX, MINERAIS ET METAUX. par M André RIO

MINERAUX, MINERAIS ET METAUX.

par M 118-1897_imgAndré RIO

Nature des minéraux.

Les éléments et leurs combinaisons.

Les cristaux.

Les minerais.

Principaux minerais.

Origine géologique des minerais.

Traitement des minerais.

Des minerais aux métaux.

Réduction des oxydes.

Le plomb argentifère.

La sidérurgie.

L’aluminium.

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La croûte terrestre renferme des quantités de minéraux, essentiellement des silicates, mais on y trouve aussi des gisements enrichis en différents composés métalliques, les minerais, à partir desquels on peut obtenir les métaux correspondants.

Nature des minéraux.

Il existe une centaine d’éléments dont la plupart sont des métaux, mais aussi des éléments non métalliques (Fig.1) qui se trouvent combinés aux métaux, et quelques éléments intermédiaires comme l’arsenic, l’antimoine, le bismuth, le silicium. es métaux se caractérisent par leur opacité, leur reflet, a conductibilité de l’électricité et de la chaleur.
ous les éléments non radioactifs sont extrêmement stables, et les rêves de transmutation des anciens alchimistes étaient totalement irréalisables avec les moyens dont ils disposaient. Une légende parmi les anciens mineurs des mines de plomb argentifère prétendait que le plomb se transformait lentement en argent et qu’il suffisait d’attendre, Le plus stable n’est d’ailleurs ni l’argent ni l’or mais le fer dont on dispose abondamment.
Les combinaisons d’éléments, les liaisons entre atomes, sont beaucoup moins stables, et quelques milliers de degrés suffisent pour les détruire toutes. Ce sont ces combinaisons qui font toute la variété des minéraux.(Fig.2).La plupart des métaux se trouvent dans la nature sous forme d’oxydes, e sulfures ou de chlorures.
La composition globale des combinaisons ne renseigne pas sur leur structure. Par exemple le gaz carbonique (CO2) et la silice (SiO2), Fig.3),sont l’un un gaz qui ne se condense qu’à -79°, l’autre un solide qui ne fond qu’à 1750°,mais si le premier est formé de petites molécules de trois atomes, Il en résulte évidemment des propriétés très différentes.
Les silicates d’aluminium et de magnésium, constituants essentiels des roches, ont des structures analogues à celle de la silice, dans laquelle s’intercalent les atomes de ces deux métaux. Il en existe une très grande variété qui peut avoir une forme fibreuse comme l’amiante, lamellaire comme le mica ou le talc, ou le plus souvent tridimensionnelle et rigide. Ces structures peuvent être désordonnées, donc amorphes, comme l’opale, l’agate ou le silex .C’est également le cas des matériaux artificiels: Les céramiques: poteries, faïences et porcelaines obtenues par cuisson d’argile ou de kaolin; des ciments, silicates d’aluminium et de calcium, à partir d’argile et de calcaire, et des verres, silicates de sodium et de calcium.
Cependant, la plupart des minéraux sont cristallins. Ils ont une structure ordonnée où les atomes sont rangés régulièrement, ce qui fait que leur surface présente des facettes planes et des angles définis. Il existe sept systèmes cristallins (Fig.4) qui présentent chacun des symétries particulières. Les cristaux naturels ont pu se former à partir de roches fondues ou de solutions minérales chaudes en profondeur ou froides comme pour les concrétions des grottes.
Les pierres précieuses sont soit des minéraux amorphes, soit des cristaux naturels d’aspect esthétique souvent colorés par des traces de métaux: le rubis est de l’alumine cristallisée colorée par du chrome, le saphir par du titane, ’émeraude par du glucinium. La silice est le constituant du cristal de roche(le quartz) et de l’améthyste ;le grenat est un silicate d’aluminium. Le diamant enfin est une variété de carbone cristallisé.
On sait reproduire artificiellement ces cristaux: le rubis et plus récemment l’émeraude ont été synthétisés, le diamant également, ainsi que le silicium utilisé dans les semi-conducteurs.

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Les principaux minerais.

Minerais de plomb: la galène, sulfure de plomb (SPb).
zinc: la blende, sulfure de zinc (SZn);peut accompagner la galène.
fer: la pyrite, sulfure de fer (SFe),”or des fous”; et des oxydes.
cuivre: la chalcosine, sulfure de cuivre (S2Cu);la chalcopyrite, sulfure double de fer et de cuivre (CuFeS2).
aluminium: bauxite, oxyde de fer et d’aluminium, du gisement des Baux de Provence.
On trouve aussi à l’état natif des métaux peu oxydables: le platine, l’or, et quelquefois l’argent, le cuivre, le mercure.

Géologie des minerais .

La terre s’est formée par accrétion de poussières et d’astéroïdes suivie de fusion, ce qui a provoqué une décantation. Les éléments les plus lourds comme le fer rassemblés au centre constituent la graine solide et le noyau liquide. Au dessus se trouvent le manteau, puis la croûte, constitués de silicates. Tous les autres éléments, beaucoup moins abondants, sont dispersés dans l’ensemble.(Fig.5 et 6).Cependant, des phénomènes géologiques tels que le volcanisme et l’érosion ont permis à certains éléments de se concentrer en divers endroits. L’eau, souterraine ou en surface, et des éléments comme le chlore et le soufre ont joué un rôle important: si la mer est salée, c’est à la suite du lessivage des roches par le ruissellement. L’existence du kaolin est due à la décomposition du feldspath des granites par l’eau, la formation des grottes et de leurs concrétions à la solubilisation puis au dépôt de calcaire par l’eau chargée de gaz carbonique. On a observé aussi au fond des océans la remontée d’eau très chaude et fortement minéralisée qui forme des dépôts au refroidissement, et des concrétions riches en métaux, les nodules, dispersés à grande profondeur.
La tectonique des plaques, déplacement des continents qui flottent sur le manteau, s’accompagne de la remontée de matériaux provenant des profondeurs et d’enfouissement de matières de surface accompagnées de produits volatiles(eau, carbonates, résidus biologiques)qui peuvent resurgir par le volcanisme.
Tous ces effets se conjuguent pour favoriser localement le dépôt de certains éléments; en particulier dans les failles des roches, lieux de passage des eaux ,et dans les sédiments. La solubilité, la densité des matériaux, peuvent favoriser ces dépôts. C’est ainsi que de nombreux métaux se trouvent concentrés dans des gisements exploitables, mais il faut compléter le travail de la nature, car on trouve rarement des minerais à la fois purs et abondants.
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Traitement des minerais.

Les traitements dépendent beaucoup de la valeur, donc de la rareté, des métaux à extraire. Pour des éléments abondants comme le fer ou l’aluminium, on n’exploite que des gisements très riches, tandis que pour des métaux plus précieux comme le cuivre, l’argent ou l’or, dont les gisements riches sont rares, on exploite surtout des gisements pauvres, plus fréquents. Des éléments peu abondants mais concentrés dans des gisements riches comme le plomb et le zinc, sont plus facilement exploitables que des éléments abondants mais disséminés comme le titane. Pour enrichir les minerais, on utilise selon les cas des procédés physiques ou chimiques qui commencent généralement par un broyage suivi d’un tamisage. minerai et sa gangue; celle-ci, souvent plus légère, est entraînée par un courant d’eau. On utilise aussi le flottage qui repose sur la différence de mouillabilité: mélangé à de l’huile et à un produit mouillant, le minerai dispersé dans l’eau remonte en surface et la gangue tombe au fond. On peut aussi quelquefois dissoudre sélectivement le métal: c’est le cas de l’or, soluble dans le mercure ou dans une solution de cyanure. L’alumine est aussi purifiée par dissolution dans une lessive de soude.

 

Passage du minerai au métal.

Après ces traitements préliminaires, on dispose le plus souvent d’un oxyde ou d’un sulfure enrichis sinon purs. Les sulfures sont transformés en oxydes par grillage à l’air, le soufre s’oxydant en gaz sulfureux. Pour libérer le métal, il faut réduire l’oxyde; les métaux les plus oxydables sont les plus difficiles à libérer. L’agent de réduction le plus utilisé est le charbon qui permet d’obtenir très facilement le plomb, l’argent et le cuivre, assez facilement aussi le fer et le zinc. Pour les métaux difficiles à libérer comme l’aluminium, le magnésium et le sodium, on a le plus souvent recours à l’électrolyse, plus coûteuse et qui exige une matière première plus pure.

 

Quelques exemples.

On a longtemps exploité le plomb argentifère de Poullaouen, ainsi que la blende de Huelgoat. Présent sous forme de sulfure(la galène),il était d’abord grillé pour obtenir l’oxyde dont un traitement au charbon à chaud libérait le métal sous forme de plomb impur renfermant un peu d’argent. Le traitement suivant, la coupellation, consistait à ré oxyder le plomb fondu à l’air, ce qui laissait un résidu d’argent métallique moins oxydable. L’oxyde de plomb récupéré était réduit de nouveau pour obtenir le métal.
La sidérurgie produit le fer à partir de son oxyde en mélange avec du coke dans les hauts-fourneaux. Le fonctionnement est continu, et on soutire à la base la fonte surmontée des scories fondues, le laitier constitué de silicates. La fonte est du fer très impur contenant du carbone, du soufre, du phosphore et du silicium. Ces impuretés sont brûlées dans des convertisseurs dans lesquels on souffle de l’air jusqu’à obtenir un acier de qualité voulue.
L’aluminium est obtenu par électrolyse de l’alumine pure extraite de la bauxite, et mélangée avec un fondant, la cryolithe (fluorure d’aluminium et de sodium).Cette industrie est grosse consommatrice d’électricité.

Résumé.

Tous les minéraux sont des assemblages variés d’un petit nombre d’éléments: métaux, oxygène, silicium, soufre…Leurs propriétés sont liées à leur structure ,en particulier la cristallinité.
Les minerais sont des minéraux où se trouvent concentrés certains métaux par l’effet de phénomènes géologiques, ce qui permet leur exploitation.
Le traitement des minerais est à la fois physique: concentration, conditionnement, et chimique: obtention d’oxyde purifié et libération du métal.