L’atome en pièces détachées par M RIO André

M André RIO
M André RIO

                               L’atome en pièces détachées

 

Chaque atome est constitué d’un noyau, formé lui même de protons positifs et de neutrons et entouré d’un nuage d’électrons de charge opposée en nombre égal à celui des protons. L’atome est neutre. Il existe une analogie entre l’atome et une planète avec son satellite. Dans un cas, c’est la gravité qui maintient l’ensemble, dans l’autre la charge électrique.

 

Planète et satellite                    Atome d’hydrogène ( 1 proton ; 1 électron )

 

Force centrifuge : f = G M m    / r2                               f = ε e2/ r2

Force centripète           f = 1 /2 m v2                            f = 1 / 2 m v2

G : constante de la gravité  M : masse de la planète  m : masse du satellite

e : charge de l’électron  : , m, sa masse     ε  constante de l’attraction électrique

dans les deux cas, la vitesse v  est liée au rayon  r de l’orbite.

Il faut remarquer que e est très grand et G très petit. Une autre différence fondamentale apparaît, car l’électron est soumis aux lois de la physique quantique. Sauf au moment où il interagit avec la matière il n’est pas bien localisé ; ce n’est pas une petite bille mais une onde diffuse dont la longueur d’onde est liée à son orbite, comme une corde vibrante dont la longueur d’onde dépend de sa longueur. L’équation de Schrödinger permet de définir les différentes possibilités. ( voir page 3 ). Il existe donc un nombre limité d’orbites, selon le nombre d’électrons, qui constituent des couches successives qui sz dédoublent en sous-couches à mesure qu’on a des atomes de plus en plus lourds. La longueur d’onde de l’électron sur son orbite est

l = h / m v       où h est la constante de Planck, clé de la physique quantique, m la masse et v la vitesse de l’électron. De plus, l’électron étant un fermion, il ne peut en exister qu’un seul sur chaque couche ou sous-couche (les bosons au contraire peuvent s’entasser sans contrainte) . Finalement, c’est l’équation de Schrödinger qui permet de déterminer toutes les couches et sous- couches possibles. La lettre psi est la fonction d’onde qui représente la situation de l’électron.

Les conséquences.

            Aux différentes couches et sous-couches correspondent 4 nombres quantiques :

n : fondamental de valeurs entières successives : 1, 2, 3, …

l : secondaire (orbites elliptiques)  0, 1, 2, 3 : …

m : magnétique : valeurs positives, nulle ou négatives –1 ; 0 , + 1…

s : spin  + 1/ 2 ou – 1 / 2

A chaque combinaison de ces quatre nombres correspond une orbite et un niveau d’énergie. La classification périodique des éléments est la conséquence de cette structure ; les éléments sont classés par masses croissantes : un élément possède un proton et un électron de plus que celui qui le précède, et aussi un nombre variable de neutrons, La dernière couche peut comporter de 1 à 8 électrons, mais à partir de n = 4, une nouvelle couche à 8 électrons commence à se remplir, alors que la couche 3 est encore incomplète et se remplit ensuite avec les éléments dits de transition. La cinquième couche comporte de plus 14 électrons correspondant aux lanthanides ou terres rares.            La couche la plus externe comportant 8 électrons au plus (électrons de valence, ces électrons sont mis en commun entre deux atomes, ce qui crée entre eux une liaison chimique, 2 électrons pour une liaison simple 4 pour une liaison double et 6 pour une liaison triple. La valence est le nombre de liaisons que peut contracter un atome. Ainsi le sodium, qui ne possède qu’un électron sur sa couche externe, ne peut se lier qu’une fois, tandis que le chlore, qui en possède 7, peut se lier 1,3,5 ou 7 fois.

Emission et absorption de lumière.

Un atome excité par un choc électrique, un photon ou une température élevée absorbe de l’énergie qui fait passer un électron périphérique de son niveau normal à une couche supérieure libre. Il retombe à son niveau initial en libérant cette énergie sous forme de lumière, un photon dont la fréquence (ou la longueur d’onde) correspond à cette énergie.

E = h n

Le spectre caractéristique d’un élément correspond à une série de sauts possibles. Il peut servir à identifier l’élément et ses différents niveaux d’énergie.

Exemple, la raie double du sodium à 588,99 et 589,59 nanomètres qui donne une lumière jaune.

Les constantes qui assurent l’existence de la matière.

            G : constante de la gravité = 6,672 . 10-11 SI (système international)

C : vitesse de la lumière.

K :constante de Boltzmann = 1,38 ; 10 –23                         K = R/N

                R ; constante des gaz parfaits = 8,04 joules

N : nombre d’Avogadro (nombre d’atomes dans un gramme d’hydrogène)                 = 6,02 ; 10 23 

                h : constante de Planck = 6,61 . 10 –23

Masse de l’électron : 0,9. 10 –30 kg  ou  0,511. 10-3 Gev (giga electronvolt )

Charge de l’électron : 1,6 10 –19 coulomb

e : constante de l’attraction électrique = 9 ;109

Masse du proton : 1,6, 10-27  kg    ou 938 Gev

Masse du neutron : 0,940 Gev.

Toutes ces constantes, et quelques autres, sont telles qu’il existe de la matière stable composée d’atomes stables. Est-ce un hasard ou le résultat d’une sélection ?

LUMIERE ET COULEURS ; COLORANTS ET TEINTURE. par M André RIO

 

LUMIERE ET COULEURS ; COLORANTS ET TEINTURE.

par M André RIO

Première partie: Lumière et couleurs.

Qu’est-ce que la lumière?

Comment nous voyons les couleurs.

Comment créer de la lumière.

Comment obtenir des couleurs à partir de lumière blanche.

Méthodes physiques.

Les substances colorées.

Deuxième partie: Colorants et teinture.

Colorants naturels et synthétiques.

Deux colorants célèbres: l’Alizarine et l’Indigo.

Les autres colorants.

Les techniques de teinture.

Lumière et couleurs, qu’est-ce que la lumière?

La lumière est émise par des sources: soleil, flammes, lampes, phénomènes physiques, chimiques et biologiques(les vers luisants et le plancton).Renvoyée par les objets qu’elle frappe, elle est perçue par l’œil. Elle est indispensable à la vision. Elle se propage en ligne droite à la vitesse d’environ 300 000 km par seconde, mais elle peut être déviée par réfraction ou par réflexion au moyen de lentilles ou de miroirs.

Propagation de la lumière11-tableau

Quelle est sa nature, est elle formée de particules ou est-ce une onde comme les ondulations à la surface de l’eau ou comme le son? Les phénomènes d’interférence, qui recombinent deux faisceaux issus d’une même source, montrent qu’elle se propage comme une onde et permettent de mesurer sa longueur d’onde qui est comprise entre 0,4 µm(micromètre) pour le violet et 0,7 µm pour le rouge. La lumière blanche est en effet un mélange des différentes couleurs de l’arc en ciel qui sont déviées inégalement par un prisme.22-propagation-lumiere

Interférence et dispersion de la lumière

Cependant, la lumière apparaît aussi comme formée de particules, les photons, quand elle est émise ou absorbée par la matière. Emetteurs et capteurs sont les atomes et les molécules. Les électrons des atomes sont répartis sur des niveaux distincts. L’émission ou l’absorption de photons correspondent à des sauts d’un niveau à un autre. Dans les molécules, les liaisons entre les atomes sont analogues à des ressorts qui peuvent aussi capter ou émettre des photons en modifiant leur niveau d’énergie, comme une corde sonore émet un son ou entre en résonance avec un son produit par une source voisine qui vibre à la même fréquence.33-atome-molecule

Absorption et émission de lumière

Quelle est la nature de l’onde lumineuse? Maxwell a montré au siècle dernier que la lumière est une onde électromagnétique, mais elle ne représente qu’une très petite partie du spectre électromagnétique, avec l’infrarouge et les ondes hertziennes(ondes radio)vers les plus grandes longueurs d’onde, l’ultraviolet, les rayons X et gamma vers les plus petites.44-longueur-d-ondes

Le spectre électromagnétique

.Toute matière émet une large gamme de rayonnement électromagnétique dont le maximum d’intensité correspond à une longueur d’onde d’autant plus petite que sa température est plus élevée. Ainsi, la surface du soleil, à la température de 6000°, émet principalement de la lumière visible55-rayonnement-du-corps-noir

Rayonnement du corps noir

Comment nous voyons les couleurs.

La rétine de l’oeil renferme deux sortes de cellules sensibles à la lumière: les bâtonnets qui donnent la vision en noir et blanc et sont essentiels à la vision nocturne, et les cônes dont une sorte est sensible au bleu, autour de la longueur d’onde de 0,420 µm, une autre au vert(0,535 µm),et une troisième au rouge(0,565 µm) .L’insuffisance de certains cônes provoque une vision déficiente des couleurs correspondantes comme le daltonisme.66-daltonisme

Absorption des couleurs par les cônes de la rétine

La vision des couleurs est subjective. Ce qui nous parait blanc est un mélange de couleurs, et des combinaisons de longueurs d’onde différentes peuvent donner une même sensation: un mélange de bleu et de jaune nous parait vert comme une lumière authentiquement verte.77-vert

Deux façons de voir du vert88-voir-du-vert

Comment créer de la lumière?

Les atomes et les molécules peuvent être à la fois émetteurs ou récepteurs de lumière. Pour qu’ils soient émetteurs, il faut les exciter en leur fournissant de l’énergie. On peut l’apporter sous forme de chaleur. On a vu plus haut que les corps émettent des longueurs d’onde d’autant plus petites(des photons d’autant plus énergétiques)que leur température est plus élevée, et que la surface du soleil émet principalement de la lumière visible. de lumière: les flammes des bougies, des lampes à huile ou à pétrole et les filaments des lampes à incandescence. Le grand inconvénient de ces sources est qu’elles émettent aussi beaucoup de chaleur sous forme d’infrarouge, ce qui représente un gros gaspillage d’énergie, mais on peut exciter les atomes et les molécules par d’autres moyens plus sélectifs, par exemple les décharges électriques dans les tubes fluorescents, les impacts d’électrons sur les écrans de télévision ou dans les aurores boréales. C’est ce qu’on appelle de la lumière froide. L’émission stimulée dans les lasers produit de son coté un rayonnement monochromatique, c’est à dire une longueur d’onde unique.

Certaines réactions chimiques produisent également de la lumière; c’est le cas de la luminescence du phosphore exposé à l’air provoquée par son oxydation et de l’émission de lumière de certains organismes vivants qui utilisent une substance appelée luciférine.

Comment obtenir des couleurs à partir de lumière blanche.

La plupart des objets paraissent colorés quand ils sont éclairés en lumière blanche, parce qu’ils absorbent inégalement les différentes couleurs. Différent phénomènes peuvent en être la cause:

L’iridescence se produit quand une couche mince transparente recouvre une surface de nature différente. Les rayons lumineux réfléchis par les deux surfaces interfèrent, et le décalage entre eux élimine certaines couleurs. C’est ce qui se produit avec une très fine couche d’huile sur l’eau, sur les ailes des papillons, les plumes d’oiseaux, es cristaux liquides et sur certaines algues dans l’eau.

La fluorescence est due à l’absorption d’une partie des couleurs par une substance en solution comme la fluorescéine, la chlorophylle, ou à des cristaux, t à sa réémission avec une longueur d’onde, donc une couleur, différente. Dans deux directions différentes, on peut observer deux couleurs, ’une due à la lumière non absorbée, ’autre à la lumière absorbée et réémise. Les rayons ultraviolets peuvent être réémis sous forme de lumière visible colorée99-irisdescence

                                                                     Iridescence et fluorescence

La phosphorescence est une fluorescence retardée: la substance préalablement éclairée réémet une couleur différente avec un retard plus ou moins long. Il faut noter que la luminescence du phosphore n’est pas une phosphorescence.

Les substances colorées. Une substance paraît colorée si elle absorbe une partie de la lumière blanche. Les molécules sont analogues aux instruments de musiques accordés pour absorber et émettre des sons définis. Ces substances ne renvoient donc que les couleurs qu’elles n’ont pas absorbé: si par exemple elles absorbent le rouge, elles paraîtront vertes. Les substances qui paraissent blanches renvoient intégralement toutes les couleurs.

Il existe quelques molécules colorées simples comme le peroxyde d’azote(NO2), l’ozone (O3),l’iode, qui selon le solvant paraît rose ou brun. Il existe aussi beaucoup de pigments minéraux colorés: des sels et oxydes de fer, cuivre, chrome; le vermillon, le bleu de Prusse, les ocres, les émaux. Ils sont utilisés dans les peintures, les céramiques, les matières plastiques.

Les composés organiques sont le plus souvent incolores. Ils n’absorbent pas la lumière visible, mais l’infrarouge. Ceux qui sont colorés renferment généralement des doubles liaisons qui déplacent leurs bandes d’absorption vers les longueurs d’onde de la lumière visible.

Spectre infrarouge de l’acétanilide1010-spectre-infra

 Colorants et teinture.

Un colorant organique doit être coloré, mais aussi pouvoir se fixer solidement sur les fibres que l’on désire teindre, résister au lavage, à la lumière et si possible à des produits nettoyants comme l’eau de Javel(colorants grand teint). Jusqu’au XIXème siècle, on ne connaissait que des colorants “naturels”extraits de végétaux ou d’animaux comme l’indigo de l’indigotier, l’alizarine de la garance ou la pourpre du murex. Les recettes de teinture étaient empiriques et compliquées.

Les premiers colorants “artificiels”ont été obtenus par hasard comme la mauvéine de Perkins en 1856 et la fuchsine de Verguin en 1859.En 1869, l’alizarine devient le premier pigment naturel à être reproduit synthétiquement quand les chimistes allemands Graebe et Lieberman  , employés chez BASF  , trouvèrent un moyen de l’obtenir à partir de l’anthracène,ruinant la culture de la garance.

La synthèse industrielle de l’indigo, plus laborieuse, a été réussie par Baeyer en 1900.Des modifications de ces deux molécules ont permis d’obtenir une foule d’autres colorants aux teintes et aux propriétés tinctoriales variées, auxquels sont venues s’ajouter d’autres familles de colorants de nature complètement différentes.

Les procédés empiriques de teinture ont été remplacés par des techniques plus rationnelles et plus simples utilisant des colorants teignant la laine, la soie et le coton sans traitements préalables. Nylon);polyesters,(Tergal;Terylene; Dacron);acryliques,(Orlon;Crylor) ont exigé de nouveaux colorants ou de nouvelles techniques.

Synthèse des colorants.

La synthèse des colorants a été la première application industrielle de la chimie organique. Jusqu’en 1914,elle a été une exclusivité allemande. Les grandes sociétés chimiques ont souvent été à l’origine des fabricants de colorants(Baeyer; Rhône Poulenc; BASF; IG Farben; CIBA),et elles se sont ensuite diversifiées dans d’autres domaines: pharmacie, parfums, matières plastiques, textiles synthétiques, etc.

La matière première a longtemps été le goudron de houille, résidu des cokeries et des usines à gaz, avant qu’il soit remplacé au moins en partie par des produits pétroliers. Ces goudrons sont des mélanges de nombreuses substances, mais, contrairement à ce qu’on croit parfois, les colorants ne préexistent pas dans les goudrons, pas plus qu’aucun autre produit de synthèse. On en extrait un petit nombre de substances définies et incolores :le benzène(benzine) le toluène, le naphtalène(la naphtaline),l’anthracène, le phénol, molécules assez simples qui vont servir de squelettes pour synthétiser des milliers de colorants.(fig.10)

Deux colorants célèbres: L’alizarine et l’indigo.

Ces colorants extraits de plantes étaient connus dès l’Antiquité. L’alizarine, colorant pour mordant, exige un traitement préalable des fibres, le mordançage, au moyen de sels métalliques. Connue aussi sous le nom de rouge turc, elle donnait sa couleur aux pantalons de l’armée française. isolée pure en 1826,sa constitution avait été établie en 1868 et sa synthèse réalisée en 1870.Il en existe actuellement de très nombreux dérivés .

L’indigo a été introduit en Europe au XVIème siècle. Il était extrait de l’indigotier, plante tropicale originaire des Indes, de la Chine et du Japon. C’est ce qu’on appelle un colorant de cuve: on le dissout dans un bain sous une forme soluble et incolore, on en imprègne les fibres ou les étoffes qu’on expose ensuite à l’air. Par oxydation, l s’insolubilise, se fixe, et retrouve sa couleur bleue. C’est le colorant des “Blue Jeans”.

La détermination de sa constitution, réalisée par Baeyer entre 1841 et 1870,a été laborieuse car les moyens de l’époque étaient rudimentaires(celle du camphre avait demandé une cinquantaine d’années)De nombreuses tentatives de synthèse industrielles n’ont abouti qu’en 1900. Ensuite, comme pour l’alizarine, de très nombreux dérivés ont été synthétisés1111-alizarine

Les colorants azoïques.

Obtenus dès 1875,ils sont purement synthétiques, et ce sont actuellement les plus importants et les plus nombreux. Appelés aussi colorants à la glace, ils se forment par mélange de deux réactifs incolores en solution refroidie vers 0°.Insolubles, ils se séparent immédiatement du liquide. La réaction mise en jeu s’appelle copulation. Pour les fixer sur une fibre, on l’imprègne d’un des réactifs et on la plonge dans l’autre, mais il existe aussi des colorants azoïques solubles utilisables tels quels.(fig.12).

Colorants divers.

Il existe bien d’autres familles de colorants. Les plus utilisés sont les noirs et les bleus, certains très anciens comme le noir d’aniline(1862),les colorants au soufre(cachou de Laval,1873)et des colorants plus spécialisés comme les cyanines utilisées pour la photographie en couleurs, les phtalocyanines, très stables, les dérivés du triphénylméthane, etc.

Les techniques de teinture.

On a déjà cité les colorants pour mordant comme l’alizarine, les colorants de cuve comme l’indigo et les azoïques insolubles, mais on utilise surtout des colorants solubles capables de se fixer directement sur les fibres au moyen d’un bain de teinture: ce sont les colorants directs, d’utilisation beaucoup plus simple. Pour que le colorant se fixe, il faut qu’il puisse établir des liaisons suffisamment solides avec la structure moléculaire des fibres. La laine, constituée d’acides aminés, renferme des groupements d’atomes capables de fixer aussi bien des colorants acides ou basiques. Elle se teint facilement et peut même épuiser les bains de teinture. Il en est de même de la soie, de composition analogue.

Le coton, composé de cellulose, est plus difficile à teindre. Il ne fixe pas tous les colorants et n’épuise généralement pas les bains. La rayonne viscose, également constituée de cellulose est analogue au coton, tandis que la rayonne acétate(constituée d’acétate de cellulose)exige des colorants spéciaux solubles dans les solvants organiques.

Parmi les fibres synthétiques, les polyamides peuvent se teindre avec des colorants acides, mais les polyesters et les acryliques exigent des colorants spéciaux, à moins qu’on les modifie en introduisant dans leur structure des groupes d’atomes capables de se lies à des colorants classiques.

La teinture par les colorants directs se fait généralement à chaud. Elle doit être progressive pour obtenir une fixation régulière du colorant, l’unisson. Dans ce but, on ajoute au bain de teinture divers adjuvants et des mouillants. Parmi les procédés modernes, on peut citer la teinture sous pression qui permet d’opérer au dessus de 100° et la teinture dans des solvants organiques qui utilise des colorants insolubles dans l’eau.

En résumé, la teinture est un art compliqué et ses techniques sont très nombreuses. Elle permet aussi d’imprimer des dessins colorés en utilisant successivement et localement plusieurs colorants.

La photographie en couleurs est aussi utilisatrice de colorants organiques, mais son mécanisme fondamental repose toujours sur l’utilisation de sels d’argent, avec emploi de filtres sélectifs(trichromie).

Conclusions.

Les atomes et les molécules sont les instruments qui produisent et absorbent la lumière et toutes ses couleurs. La couleur est la sensation par laquelle notre œil et notre cerveau traduisent les différentes longueurs d’onde de la lumière visible. Pour créer ces couleurs, la teinture, longtemps empirique, est devenue une application pratique de la chimie, établie sur des bases théoriques solides et précises.

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.