La structure : des atomes en ordre

Tu connais maintenant la composition d'un minéral. Mais deux minéraux peuvent avoir exactement la même formule et ne pas se ressembler du tout. Le diamant et le graphite de la mine de ton crayon sont tous deux faits de carbone pur. Ce qui les sépare, c'est la façon dont les atomes sont rangés. Dans cette leçon, tu vas voir ce qu'est l'ordre cristallin, pourquoi le verre n'en a pas, et comment une même formule peut donner plusieurs minéraux. Tu verras aussi pourquoi la forme d'un beau cristal n'est pas un hasard.

Pense au motif imprimé d'un pagne. Le même dessin se répète, à intervalles réguliers, d'un bout à l'autre du tissu. Si tu connais un motif et l'écart entre deux motifs, tu peux reconstruire tout le pagne. Un cristal fonctionne de la même façon, mais en trois dimensions. Un petit groupe d'atomes se répète, identique, dans les trois directions de l'espace, sur des milliards de répétitions. On parle d'ordre à longue distance. Un grain de sable de quartz d'un millimètre contient ainsi un nombre gigantesque de motifs, tous orientés de la même manière.

Le quartz et le verre de bouteille contiennent tous deux beaucoup de silice. Pourtant, dans le verre, les atomes sont liés à leurs voisins proches mais sans motif qui se répète au loin : c'est un solide amorphe. Plusieurs conséquences le trahissent. Le verre ne forme jamais de faces planes en grandissant. Il se ramollit progressivement quand on le chauffe, au lieu de fondre à une température nette. Et aux rayons X, il ne donne pas de pics bien dessinés, tu le verras au module 7. L'obsidienne, un verre volcanique noir, est un verre naturel : elle n'a pas l'ordre d'un minéral.

Quand une même formule peut s'organiser de plusieurs façons, on parle de polymorphes. Le carbonate de calcium forme la calcite des calcaires et l'aragonite de nombreux coquillages. Le silicate d'aluminium Al2SiO5 existe sous trois formes : l'andalousite, le disthène et la sillimanite. La forme qui apparaît dépend de la pression et de la température subies par la roche. Autour de certains granites de Bretagne, des schistes cuits à faible profondeur se sont couverts de baguettes d'andalousite. Le disthène, lui, demande un enfouissement plus profond, donc une pression plus forte. Un polymorphe sert ainsi de repère pour retracer l'histoire d'une roche.

Le diamant et le graphite sont tous deux du carbone pur. Dans le diamant, chaque atome est lié très fortement à quatre voisins, dans toutes les directions : la structure est rigide, et le diamant est le minéral le plus dur connu. Dans le graphite, les atomes forment des feuillets solides, mais ces feuillets ne tiennent entre eux que par des liaisons faibles. Ils glissent les uns sur les autres. C'est pour ça que le graphite est si tendre, qu'il tache les doigts et qu'on le mélange à de l'argile pour faire les mines de crayon. Même formule, structures opposées, propriétés opposées.

Quand un cristal grandit librement, dans une cavité ou une géode, il développe des faces planes : on le dit automorphe. Dans une roche, les grains se gênent et prennent la forme de l'espace qui reste : on les dit xénomorphes. Même un cristal automorphe est rarement régulier. Accroché par un côté à la paroi d'une géode, il pousse surtout vers le vide, et certaines faces s'allongent pendant que d'autres restent étroites. Ce qui ne change pas, c'est l'angle entre deux faces qui se correspondent : mesure-le sur dix cristaux d'une même géode d'améthyste, tu trouveras chaque fois la même valeur. C'est l'ordre intérieur qui impose ces angles.

Retiens que la structure compte autant que la composition. Un cristal est un motif d'atomes répété dans les trois directions ; le verre n'a pas cet ordre. Une même formule peut donner plusieurs minéraux, les polymorphes, qui se forment dans des conditions différentes et ont des propriétés différentes, comme le diamant et le graphite. Et quand un cristal a pu croître librement, ses angles entre faces traduisent fidèlement son ordre intérieur. Dans la prochaine leçon, tu vas relier tout cela à ce que tu peux observer avec tes sens : les propriétés physiques et la fiche d'identité d'un minéral.