TD réactions minéralogiques et bilans chimiques

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1 TD réactions minéralogiques et bilans chimiques

2 Ride médio-atlantique Basalte: formation Production de Pillow-Lava Pillow-Lava(s) (refroidis) Basalte Formation de basalte au niveau des rides océaniques (volcans sous-marins)

3 Basalte: composition minéralogique Roche sombre, dure. Quelques cristaux visibles à l œil nu Au microscope: Quelques grands cristaux: Plagioclases: blanc/gris/noir Pyroxènes: jaunes-rose Olivine: multicolore Dans une matrice faite de milliers de microcristaux. (les mêmes que les gros)

4 Basalte: composition minéralogique Ici on s intéresse aux feldspath plagioclases, c est-à-dire aux minéraux gris. Ils sont reconnaissables au : rayures noires/blanches.

5 Réaction avec l eau de mer Contact direct basalte-eau de mer. Infiltration de l eau et augmentation de la température (350 C).

6 Réaction avec l eau de mer Une faune extrêmement riche s est développée autour des fumeurs noirs Essaim d Alvinocaris (crevettes) Proche d un Fumeur noir Fumeurs noirs Vers tubicoles Forte [C] en Manganèse (Mn) et Fer (Fe) C Des milliers de crabes Cyanagraea

7 Réaction avec l eau de mer Colonies de vers tubicoles vivant directement sur un fumeur noir

8 Réaction avec l eau de mer Une faune extrêmement riche s est développée autour des fumeurs noirs Essaim d Alvinocaris (crevettes) Proche d un Fumeur noir Vers tubicoles? Glaces d eau, de méthane, d ammoniac Forte [C] en Manganèse (Mn) et Fer (Fe) C Neptune (voyager 2) Des milliers de crabes Cyanagraea

9 Réaction avec l eau de mer Forte [C] en Barium (Ba) et sulfate de calcium (CaSO4) C Fumeurs blancs

10 Des minéraux Amazonite et albite Sylvite Pyrite Beryl et Quartz Calcite Elbaite Gypse Malachite Mesolite et apophyllite Opale Veszelyite Tanzanite Sulfur Stilbite Wulfenite Rhodochrosite

11 Réaction avec l eau de mer Contact direct basalte-eau de mer. Infiltration de l eau, augmentation de la température (350 C). Les minéraux (plagioclase notamment) réagissent avec l eau de mer et leur composition chimique change. Mg

12 Intérêts : 1- Les minéraux ne sont jamais purs, mais ont toujours une composition mixte. Dans l orthose par exemple, on a un fort % de K (potassium), mais pas seulement. On a également un peu de Na (sodium). En calculant la formule structurale, on est à même de préciser les proportions relatives en K et Na de l orthose. K K Orthose = feldspath potassique (K) K Na Na K K K K K Les minéraux (feldspath plagioclase notamment) réagissent avec l eau de mer et leur composition chimique change.

13 Intérêts : 1- Les minéraux ne sont jamais purs, mais ont toujours une composition mixte. Dans l orthose par exemple, on a un fort % de K (potassium), mais pas seulement. On a également un peu de Na (sodium). En calculant la formule structurale, on est à même de préciser les proportions relatives en K et Na de l orthose. Orthose = feldspath potassique (K) K K K Na K Na K K K K Les minéraux (feldspath plagioclase notamment) réagissent avec l eau de mer et leur composition chimique change.

14 Formule chimique du plagioclase Composition chimique du feldspath plagioclase varie entre deux pôles: Plagioclase calcique Na + Ca 2+ Plagioclase sodique Ca [Si2 Al2 O8] Na [Si3 Al O8] Na Ca Na Ca Ca Ca Ca Ca Attention, le plagioclase réel a toujours une composition intermédiaire!!

15 Formule chimique du plagioclase Composition chimique du feldspath plagioclase varie entre deux pôles: Plagioclase calcique Ca [Si2 Al2 O8] Na + Ca 2+ Plagioclase sodique Na [Si3 Al O8] Exemple: Ca 0.75 Na 0.25 [Si 2.25 Al 1.75 O 8 ]

16 Formule chimique du plagioclase Composition chimique du feldspath plagioclase varie entre deux pôles: Plagioclase calcique Ca [Si2 Al2 O8] Na + Ca 2+ Plagioclase sodique Na [Si3 Al O8] 3/4 1/4 Exemple: Ca 0.75 Na 0.25 [Si 2.25 Al 1.75 O 8 ]

17 But Déterminer la formule structurale d un silicate (par exemple) permet de connaître la répartition et la concentration des cations Il existe une méthode simple qui permet à partir d une analyse chimique de calculer toutes les formules structurales des silicates analysés

18 Formule chimique du plagioclase Pour connaître la composition chimique du plagioclase on utilise une microsonde électronique. Emission d électrons (e ) > Contact avec l échantillon > émission de rayons X Longueur d onde: Intensité: reconnaissance de l élément quantité de chaque élément

19 Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré d oxyde m(xo) en g moléculaire M(XO) en g/mol moles n(xo) en mol cations n(x+) en mol Nombre n(o) en mol Nb de cations/nb total SiO Al2O CaO 19.5 Na2O 0.16 % oxydes Ca [Si2 Al2 O8] Na [Si3 Al O8]

20 Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré d oxyde m(xo) en g moléculaire molaire M(XO) en g/mol moles n(xo) en mol cations n(x+) en mol Nombre n(o) en mol Nb de cations/nb total SiO Al2O CaO 19.5 Na2O 0.16 % oxydes Masse molaire d un oxyde (colonne2): somme des masses molaires de chaque élément. M(SiO2) = M(Si) +2*M(O) = 28+2*16 = 60 g/mol

21 Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré d oxyde m(xo) en g moléculaire molaire M(XO) en g/mol moles n(xo) en mol cations n(x+) en mol Nombre n(o) en mol Nb de cations/nb total SiO Al2O CaO Na2O % oxydes Masse molaire d un oxyde (colonne2): somme des masses molaires de chaque élément. M(SiO2) = M(Si) +2*M(O) = 28+2*16 = 60 g/mol

22 Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré d oxyde m(xo) en g moléculaire molaire M(XO) en g/mol moles n(xo) en mol cations n(x+) en mol Nombre n(o) en mol Nb de cations/nb total SiO Al2O CaO Na2O % oxydes Nbre de moles d un oxyde (colonne3): n (XO)= m(xo) / M(XO) n(sio2) = m(sio2) / M(SiO2) = 44.4 / 60 = 0.740

23 Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré d oxyde m(xo) en g moléculaire molaire M(XO) en g/mol moles n(xo) en mol cations n(x+) en mol Nombre n(o) en mol Nb de cations/nb total SiO Al2O CaO Na2O % oxydes Nbre de moles d un oxyde (colonne3): n (XO)= m(xo) / M(XO) n(sio2) = m(sio2) / M(SiO2) = 44.4 / 60 = 0.740

24 Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré d oxyde m(xo) en g moléculaire molaire M(XO) en g/mol moles n(xo) en mol cations n(x+) en mol Nombre n(o) en mol Nb de cations/nb total SiO Al2O CaO Na2O % oxydes Nbre de cations (colonne4): quantité de cations libérés quand les molécules d oxyde se brisent. n(si 4+ ) = n(sio2) = 0.740

25 Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré d oxyde m(xo) en g moléculaire molaire M(XO) en g/mol moles n(xo) en mol cations n(x+) en mol Nombre n(o) en mol Nb de cations/nb total SiO Al2O CaO Na2O % oxydes Nbre de cations (colonne4): quantité de cations libérés quand les molécules d oxyde se brisent. n(si 4+ ) = n(sio2) = 0.740

26 Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré d oxyde m(xo) en g moléculaire molaire M(XO) en g/mol moles n(xo) en mol cations n(x+) en mol Nombre n(o) en mol Nb de cations/nb total SiO Al2O CaO Na2O % oxydes Nbre d oxygène (colonne5): quantité libérés quand les molécules d oxyde se brisent. n(o) = n(sio2) *2 = 1.480

27 Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré d oxyde m(xo) en g moléculaire molaire M(XO) en g/mol moles n(xo) en mol cations n(x+) en mol Nombre n(o) en mol Nb de cations/nb total SiO Al2O CaO Na2O % oxydes Nbre d oxygène (colonne5): quantité libérés quand les molécules d oxyde se brisent. n(o) = n(sio2) *2 = 1.480

28 Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré d oxyde m(xo) en g moléculaire molaire M(XO) en g/mol moles n(xo) en mol cations n(x+) en mol Nombre n(o) en mol Nb de cations/nb total SiO Al2O CaO Na2O % oxydes Total des oxygènes (colonne5): somme de tous les oxygènes au sein des oxydes ntot(o) = = mol

29 Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré d oxyde m(xo) en g moléculaire molaire M(XO) en g/mol moles n(xo) en mol cations n(x+) en mol Nombre n(o) en mol Nb de cations/nb total SiO Al2O CaO Na2O % oxydes Calcul des nouvelles proportions cationiques (+) par rapport au nombre total d oxygène Ecriture de la formule structurale du plagioclase (dans ce cas, on a une base de 8 oxygènes) Formule chimique: NaX CaX [AlX SiX O8]

30 Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré d oxyde m(xo) en g moléculaire molaire M(XO) en g/mol moles n(xo) en mol cations n(x+) en mol Nombre n(o) en mol (Nb de cations/nb total ) x8 SiO Al2O CaO Na2O % oxydes Formule chimique (colonne6): (quantité de cations/ntot (O)) x8 Indice (Si) = (n(si4+) /ntot (O)) x 8= (0.740/2.886) x8 = Formule chimique: NaX CaX [AlX SiX O8]

31 Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré d oxyde m(xo) en g moléculaire molaire M(XO) en g/mol moles n(xo) en mol cations n(x+) en mol Nombre n(o) en mol (Nb de cations/nb total ) x8 SiO Al2O CaO Na2O % oxydes Formule chimique (colonne6): (quantité de cations/ntot (O)) x8 Indice (Si) = (n(si4+) /ntot (O)) x 8= (0.740/2.886) x8 = Formule chimique: NaX CaX [AlX SiX O8]

32 Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré d oxyde m(xo) en g moléculaire molaire M(XO) en g/mol moles n(xo) en mol cations n(x+) en mol Nombre n(o) en mol (Nb de cations/nb total ) x8 SiO Al2O CaO Na2O % oxydes Formule chimique: Na0.014 Ca0.970 [Al1.949 Si2.051 O8]

33 Formule chimique du plagioclase Formule chimique: Na0.014 Ca0.970 [Al1.949 Si2.051 O8] Vérification des calculs (rapide): Ca [Si2 Al2 O8] Na [Si3 Al O8] Ca et Na doivent être entre 0 et 1 Si doit être entre 2 et 3 Al doit être entre 1 et 2

34 Formule chimique du plagioclase Formule chimique: Na0.014 Ca0.970 [Al1.949 Si2.051 O8] Vérification des calculs (plus longue): Somme des +: 0.014* * * *4 = Somme des -: 8*2= 16 Aux arrondis près, il y a bien égalité entre les plus et les moins: la formule est équilibrée.

35 Formule chimique du plagioclase Cas du plagioclase sodique (riche en Na+) Lame Oxyde considéré d oxyde m(xo) en g moléculaire molaire M(XO) en g/mol moles n(xo) en mol cations n(x+) en mol Nombre n(o) en mol (Nb de cations/nb total ) x8 SiO Al2O CaO 0.08 Na2O % oxydes 99.91

36 Formule chimique du plagioclase Cas du plagioclase sodique (riche en Na+) Lame Oxyde considéré d oxyde m(xo) en g moléculaire molaire M(XO) en g/mol moles n(xo) en mol cations n(x+) en mol Nombre n(o) en mol (Nb de cations/nb total ) x8 SiO Al2O CaO Na2O % oxydes

37 Formule chimique du plagioclase Na0.999 Ca0.004 [Al1.048 Si2.963 O8] Lame Oxyde considéré d oxyde m(xo) en g moléculaire molaire M(XO) en g/mol moles n(xo) en mol cations n(x+) en mol Nombre n(o) en mol (Nb de cations/nb total ) x8 SiO Al2O CaO Na2O % oxydes

38 Formule chimique du plagioclase Na0.999 Ca0.004 [Al1.048 Si2.963 O8] Vérification des calculs (rapide): Ca [Si2 Al2 O8] Ca et Na doivent être entre 0 et 1 Si doit être entre 2 et 3 Al doit être entre 1 et 2 Na [Si3 Al O8]

39 Formule chimique du plagioclase Na0.999 Ca0.004 [Al1.048 Si2.963 O8] Vérification des calculs (plus longue): Somme des +: 0.999* * * *4 = Somme des -: 8*2= 16 Aux arrondis près, il y a bien égalité entre les plus et les moins: la formule est équilibrée.

40 Bilan Na0.999 Ca0.004 [Al1.048 Si2.963 O8] Na0.014 Ca0.970 [Al1.949 Si2.051 O8] 100% Na 100% Ca

41 Bilan Na0.999 Ca0.004 [Al1.048 Si2.963 O8] Na0.014 Ca0.970 [Al1.949 Si2.051 O8] 100% K Orthose 100% Na 100% Ca Albite Anorthite

42 Bilan Na0.999 Ca0.004 [Al1.048 Si2.963 O8] Na0.014 Ca0.970 [Al1.949 Si2.051 O8] 100% K Orthose 100% Na 100% Ca Albite Anorthite

43 Equation de la réaction Ca [Si2 Al2 O8] Na [Si3 Al O8] + + Quels réactifs? Quels produits?

44 Equation de la réaction Ca [Si 2 Al 2 O 8 ] Na [Si 3 Al O 8 ] + + Na + Ca 2+ SiO 2

45 Equation de la réaction Ca [Si 2 Al 2 O 8 ] 2Na [Si 3 Al O 8 ] + + 2Na + Ca 2+ 4SiO 2 Chaque plagioclase qui réagit consomme 2 ions sodium (Na+).

46 Equation de la réaction Ca [Si 2 Al 2 O 8 ] + 4 SiO Na+ 2Na [Si 3 Al O 8 ] + Ca 2+ Chaque plagioclase qui réagit consomme 2 ions sodium (Na+).

47 Flux de sodium piégé Production de croute océanique: P= 6 x kg/an Quantité de croûte qui réagit : t = 4% Masse de Na+ piégé quand 1kg de plagioclases réagissent? M(plagioCa) = 278g/mol M(Na+) = 23g/mol

48 Flux de sodium piégé Production de croute océanique: P= 6 x kg/an Quantité de croûte qui réagit : t = 4% Masse de Na+ piégé quand 1kg de plagioclases réagissent? Ca [Si 2 Al 2 O 8 ] +4SiO 2 +2Na + 2Na [Si 3 Al O 8 ] + Ca 2+ Pour une mole de plagio calcique, on piège 2moles de sodium. n(na+) = 2* n(plagioca) m(na+)/m(na+) = 2*m(plagioCa)/M(plagioCa) m(na+) = 2*m(plagioCa) *M(Na+) /M(plagio) Cam(Na+)= 2* 1/ 278*23 M(Na+)= 0,165 kg

49 Flux de sodium piégé Production de croute océanique: P= 6 x kg/an Quantité de croûte qui réagit : t = 4% Masse de Na+ piégé quand 1kg de plagioclases réagissent: m(na+)= 0,165kg Flux de sodium piégé: Fp= P t m(na+) Fp= 6 x x 0,04 x 0,165 Fp= 3,96 x kg/an

50 Flux de sodium apporté Flux aqueux des rivières: B=3,7 x kg/an Teneur des rivières en Na+: c=11 ppm Flux de sodium apporté: Fa = B c Fa= 3,7 x x 11 x 10-6 Fa= 4,07 x kg/an

51 Flux de sodium apporté Flux de sodium piégé: Fp= P t m(na+) Fp= 6 x x 0,04 x 0,165 Fp= 3,96 x kg/an Flux de sodium apporté: Fa=B c Fa= 3,7 x x 11 x 10-6 Fa= 4,07 x kg/an Na+ OCEAN Na+

52 Chimie de l eau de mer Flux de sodium piégé: Fp= 3,96 x kg/an Flux de sodium apporté: Fa= 4,07 x kg/an Implication pour la chimie des océans? Na+ OCEAN Na+

53 Chimie de l eau de mer Flux de sodium piégé: Fp= 3,96 x kg/an Flux de sodium apporté: Fa= 4,07 x kg/an Implication pour la chimie des océans? La chimie des océans est régulée et constante au cours des temps géologiques (pour Na). Mécanisme similaire pour Cl. Na+ OCEAN Na+

54 Production de croûte océanique Kg/an % de croûte affectée par la réaction 4 % Masse de croûte affectée par la réaction 2, Kg/an Quantité (mol) de croûte affectée par la réaction n mol =. masse Masse molaire 2, g/an 278 g/mol 8, mol/an De plagioclase calcique qui se transforme en plagioclase sodique Si pour 1 mol de P. calcique, 2 mol de Na+ réagit On a : 2 X 8, mol de Na capturé 2 X 8, = 1, mol de Na+ (23 X 1, ) = 3, g/an avec m = n x M

55 Production de croûte océanique Kg/an % de croûte affectée par la réaction 4 % Masse de croûte affectée par la réaction 2, Kg/an Quantité (mol) de croûte affectée par la réaction n mol =. masse Masse molaire 2, g/an 278 g/mol 8, mol/an De plagioclase calcique qui se transforme en plagioclase sodique Si pour 1 mol de P. calcique, 2 mol de Na+ réagit On a : 2 X 8, mol de Na capturé 2 X 8, = 1, mol de Na+ (23 X 1, ) = 3, Kg/an avec m = n x M