La composition chimique et la formule

Dans cette leçon, tu vas apprendre à lire la carte chimique d'un minéral : sa formule. Une formule n'est pas un code réservé aux chimistes. Elle te dit quels éléments contient le minéral, dans quelles proportions, et souvent pourquoi il a telle couleur ou telle densité. Tu vas voir que certains atomes se remplacent les uns les autres, ce qui explique qu'un même minéral puisse avoir des compositions un peu différentes d'un gisement à l'autre. Et tu feras ton premier calcul utile : la teneur en fer de l'hématite et la teneur en alumine de la gibbsite.

Une formule se lit comme une recette. Fe2O3, la formule de l'hématite, veut dire deux atomes de fer pour trois atomes d'oxygène. Vérifie l'équilibre des charges : le fer y est à l'état d'ion Fe trois plus, donc deux fers apportent six charges positives. L'oxygène est un ion O deux moins, donc trois oxygènes apportent six charges négatives. Le total est nul, et c'est toujours le cas dans un minéral. Fais le même exercice avec la calcite : un ion calcium deux plus, et un groupe carbonate CO3 deux moins. Ce réflexe t'aidera à repérer une formule mal recopiée.

Dans beaucoup de minéraux, deux ions de taille et de charge voisines peuvent occuper la même place dans la structure. L'olivine en est l'exemple classique. Sa formule s'écrit avec une parenthèse, magnésium virgule fer, ce qui veut dire que ces deux ions se partagent les mêmes positions, dans toutes les proportions. Le pôle riche en magnésium s'appelle la forstérite, le pôle riche en fer la fayalite. Entre les deux, toutes les compositions existent. On parle de solution solide. Une olivine d'un basalte des îles du Cap-Vert et une olivine d'une péridotite n'auront donc pas exactement la même composition.

Parfois, le remplacement doit se faire par paires. Regarde les plagioclases, des feldspaths très fréquents dans les roches. L'albite contient du sodium, l'anorthite du calcium. Mais le calcium porte deux charges positives et le sodium une seule. Pour garder l'équilibre, chaque fois qu'un calcium remplace un sodium, un aluminium à trois charges remplace un silicium à quatre charges. Le gain d'un côté compense la perte de l'autre. On parle de substitution couplée. Retiens surtout la conséquence : un nom de minéral peut couvrir une série de compositions, et le géologue précise souvent la position dans la série.

Une quantité infime d'un élément étranger peut changer complètement la couleur d'un minéral. Le corindon pur, un oxyde d'aluminium, est incolore. Avec un peu de chrome, il devient rouge : c'est le rubis. Avec du fer et du titane, il devient bleu : c'est le saphir, qu'on extrait par exemple à Madagascar. Le quartz violet, l'améthyste, doit sa couleur à des traces de fer modifiées par un rayonnement naturel. Dans tous ces cas, l'espèce reste la même, avec la même structure. C'est pour ça que la couleur, à elle seule, ne suffit jamais à identifier un minéral.

Calculons la teneur en fer de l'hématite pure. La masse molaire du fer vaut 55,85 grammes par mole, celle de l'oxygène 16,00. Une mole de Fe2O3 pèse donc deux fois 55,85 plus trois fois 16, soit 159,7 grammes. Le fer y représente 111,7 grammes. Divise : 111,7 sur 159,7 donne environ 0,70. L'hématite pure contient donc environ 70 % de fer. Un minerai réel en contient moins, parce qu'il mélange l'hématite à d'autres minéraux sans fer, comme le quartz. Cette différence entre teneur théorique et teneur réelle te dit déjà combien de gangue il faudra éliminer.

Dans le commerce, la teneur d'une bauxite s'exprime en alumine, Al2O3, plutôt qu'en aluminium. Fais le calcul pour la gibbsite. Une mole de gibbsite pèse 78 grammes. Quand on la chauffe, deux moles de gibbsite donnent une mole d'alumine et trois moles d'eau. Deux moles de gibbsite pèsent 156 grammes et donnent 102 grammes d'alumine. Le rapport vaut environ 0,65. Une gibbsite pure contient donc environ 65 % d'alumine. Dans une étude publiée en 2021 sur la bauxite de Sangarédi, en Guinée, la gibbsite représentait en moyenne environ 92 % des échantillons quantifiés : elle apportait donc à elle seule environ 60 % d'alumine.

Retiens trois idées. La formule d'un minéral équilibre toujours ses charges, et c'est un bon moyen de vérifier une formule. Beaucoup de minéraux sont des solutions solides, où des ions de taille voisine se remplacent : un même nom couvre alors une série de compositions. Enfin, la teneur théorique d'un minéral pur se calcule avec les masses molaires, et elle te donne le plafond qu'aucun minerai ne dépassera. Garde ta calculatrice à portée de main : tu referas ce calcul dans le lab du module, puis dans le module 5 pour une bauxite complète.