TD réactions minéralogiques et bilans chimiques

TD réactions minéralogiques et bilans chimiques

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)

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

Formule structurale, remarques complémentaires Formule générale des silicates : Xm Yn (Zp Oq) Wr X : ions faiblement chargés, de grande taille (Ca2+, Na+, K+, Ba2+) Y : ions bi ou trivalents, de taille moyenne, (Mg2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Ti4+, Al3+); Z : ions fortement chargés, de petite taille, (Al3+, Si4+); O : oxygène; W : ions négatifs (OH-, Cl-, F-).

Intérêts 1 - les minéraux ne sont jamais purs, mais sont toujours mélangés. Dans l'orthose par exemple, on a un fort pourcentage de K, mais pas seulement, on a également un peu de Na. En calculant la formule structurale, on est à même de préciser les proportions relatives en K et Na de l'orthose. 2 - on peut avoir de l'al en site octaédrique et en site tétraédrique. Quand l'analyse chimique indique un nombre de Si insuffisant pour atteindre la valeur (y) de cations, de l'al va compléter ce nombre. En calculant la formule structurale, on pourra donc savoir le nombre d'al seront en site tétraédrique et octaédrique.

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. Les formules obtenues sont électriquement neutres.

Pour connaître la composition chimique du plagioclase on utilise une microsonde électronique (Schéma: Université de Montpellier)r Source d électrons > Contact avec l échantillon > émission de rayons X Longueur d onde: reconnaissance de l élément Intensité: quantité de chaque élément.

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 SiO2 44.4 Al2O3 35.87 CaO 19.5 Na2O 0.16 % oxydes 99.93 On obtient la formule chimique de l'olivine, c'est à dire le poids en éléments majeurs ramenés en poids d'oxydes et à 100 %

Méthode transformation des masses d oxydes en proportions molaires en divisant par les masses molaires des oxydes correspondants (2ème et 3ème colonnes).

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 SiO2 44.4 60 Al2O3 35.87 CaO 19.5 Na2O 0.16 % oxydes 99.93 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

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 SiO2 44.4 60 Al2O3 35.87 102 CaO 19.5 56 Na2O 0.16 62 % oxydes 99.93 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

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 SiO2 44.4 60 0.740 Al2O3 35.87 102 CaO 19.5 56 Na2O 0.16 62 % oxydes 99.93 moles d un oxyde (colonne3): n (XO)= m(xo) / M(XO) n(sio2) = m(sio2) / M(SiO2) = 44.4 / 60 = 0.740

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 SiO2 44.4 60 0.740 Al2O3 35.87 102 0.352 CaO 19.5 56 0.348 Na2O 0.16 62 0.003 % oxydes 99.93 Nbre de moles d un oxyde (colonne3): n (XO)= m(xo) / M(XO) n(sio2) = m(sio2) / M(SiO2) = 44.4 / 60 = 0.740

Méthode Conversion des proportions molaires d'oxydes en proportions molaires de cation et d'oxygène. La formule de l'oxyde indique le facteur de cette conversion : à x moles de SiO2, correspondent x de Si et 2x d'o (4ème et 5ème colonnes). Les proportions cationiques obtenues sont calculées pour n O (nb d'o total calculé dans la 5ème colonne).

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 SiO2 44.4 60 0.740 0.740 Al2O3 35.87 102 0.352 CaO 19.5 56 0.348 Na2O 0.16 62 0.003 % oxydes 99.93 Nbre de cations (colonne4): quantité de cations libérés quand les molécules d oxyde se brisent. n(si 4+ ) = n(sio2) = 0.740

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 SiO2 44.4 60 0.740 0.740 Al2O3 35.87 102 0.352 0.703 CaO 19.5 56 0.348 0.348 Na2O 0.16 62 0.003 0.005 % oxydes 99.93 Nbre de cations (colonne4): quantité de cations libérés quand les molécules d oxyde se brisent. n(si 4+ ) = n(sio2) = 0.740

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 SiO2 44.4 60 0.740 0.740 1.480 Al2O3 35.87 102 0.352 0.703 CaO 19.5 56 0.348 0.348 Na2O 0.16 62 0.003 0.005 % oxydes 99.93 Nbre d oxygène (colonne5): quantité libérés quand les molécules d oxyde se brisent. n(o) = n(sio2) *2 = 1.480

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 SiO2 44.4 60 0.740 0.740 1.480 Al2O3 35.87 102 0.352 0.703 1.055 CaO 19.5 56 0.348 0.348 0.348 Na2O 0.16 62 0.003 0.005 0.003 % oxydes 99.93 Nbre d oxygène (colonne5): quantité libérés quand les molécules d oxyde se brisent. n(o) = n(sio2) *2 = 1.480

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 SiO2 44.4 60 0.740 0.740 1.480 Al2O3 35.87 102 0.352 0.703 1.055 CaO 19.5 56 0.348 0.348 0.348 Na2O 0.16 62 0.003 0.005 0.003 % oxydes 99.93 2.886 Total des oxygènes (colonne5): somme de tous les oxygènes ntot(o) = 1.480 +1.055 +0.348 +0.003 = 2.886 mol

Méthode Calcul des nouvelles proportions cationiques par rapport au nombre total d'oxygène (dans ce cas, on a une base de 8 oxygènes) (6ème colonne). Ecriture de la formule structurale du plagioclase grâce à détermination des proportions relatives des différents éléments.

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 SiO2 44.4 60 0.740 0.740 1.480 2.051 Al2O3 35.87 102 0.352 0.703 1.055 CaO 19.5 56 0.348 0.348 0.348 Na2O 0.16 62 0.003 0.005 0.003 % oxydes 99.93 2.886 Formule chimique (colonne6): quantité de cations/ntot (O) x8 Indice (Si) = n(si4+) /ntot (O) x 8= 0.740/2.886 x8 = 2.051

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 SiO2 44.4 60 0.740 0.740 1.480 2.051 Al2O3 35.87 102 0.352 0.703 1.055 1.949 CaO 19.5 56 0.348 0.348 0.348 0.970 Na2O 0.16 62 0.003 0.005 0.003 0.014 % oxydes 99.93 2.886 8.000 Formule chimique (colonne6): quantité de cations/ntot (O) x8 Indice (Si) = n(si4+) /ntot (O) x 8= 0.740/2.886 x8 = 2.051

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 SiO2 44.4 60 0.740 0.740 1.480 2.051 Al2O3 35.87 102 0.352 0.703 1.055 1.949 CaO 19.5 56 0.348 0.348 0.348 0.970 Na2O 0.16 62 0.003 0.005 0.003 0.014 % oxydes 99.93 2.886 8.000 Formule chimique: Na0.014 Ca0.970 [Al1.949 Si2.051 O8]

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

Formule chimique: Na0.014 Ca0.970 [Al1.949 Si2.051 O8] Vérification des calculs (plus longue): Somme des +: 0.014*1 + 0.970*2 +1.949*3 +2.051*4 = 16.005 Somme des -: 8*2= 16 Aux arrondis près, il y a bien égalité entre les plus et les moins: la formule est équilibrée.

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 SiO2 67.69 Al2O3 20.35 CaO 0.08 Na2O 11.79 % oxydes 99.91

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 SiO2 67.69 60 1.128 1.128 2.256 2.963 Al2O3 20.35 102 0.200 0.399 0.599 1.048 CaO 0.08 56 0.001 0.001 0.001 0.004 Na2O 11.79 62 0.190 0.380 0.190 0.999 % oxydes 99.91 3.047 8.000

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 SiO2 67.69 60 1.128 1.128 2.256 2.963 Al2O3 20.35 102 0.200 0.399 0.599 1.048 CaO 0.08 56 0.001 0.001 0.001 0.004 Na2O 11.79 62 0.190 0.380 0.190 0.999 % oxydes 99.91 3.046 8.000

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]

Na0.999 Ca0.004 [Al1.048 Si2.963 O8] Vérification des calculs (plus longue): Somme des +: 0.999*1 + 0.004*2 +1.048*3 +2.963*4 = 16.003 Somme des -: 8*2= 16 Aux arrondis près, il y a bien égalité entre les plus et les moins: la formule est équilibrée.

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

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.

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

Composition chimique du 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 ]

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

Equation de la réaction Ca [Si 2 Al 2 O 8 ] Na [Si 3 Al O 8 ] + + Na + Ca 2+ SiO 2 Dans la réaction, on ne tient pas compte de l'eau. L'eau de mer apporte le sodium et SiO2 provient du magma.

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

Flux de sodium piégé Production de croute océanique: P= 6 x 10 13 kg/an Quantité de plagioclases qui réagissent au sein de la croûte: t= 4% Masse de Na + piégé quand 1 kg de plagioclases réagissent? M(plagioCa) = 278g/mol M(Na+) = 23g/mol

Flux de sodium piégé Production de croute océanique: P= 6 x 10 13 kg/an Quantité de plagioclase qui réagissent au sein de la croûte: 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 2 moles de sodium. n(na+) = 2* n(plagioca) m(na+)/m(na+) = 2*m(plagioCa)/M(plagioCa) m(na+) = 2*m(plagioCa)/M(plagioCa)*M(Na+) m(na+)= 2* 1000/ 278*23 m(na+)= 0,165 kg

Flux de sodium piégé Production de croute océanique: P= 6 x 10 13 kg/an Quantité de plagioclase qui réagissent au sein de la croûte: 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 10 13 x 0,04 x 0,165 Fp= 3,96 x 10 11 kg/an

Flux de sodium apporté Flux aqueux des rivières: B=3,7 x 10 16 kg/an Teneur des rivières en Na+: c=11 ppm soit 11 mg de Na+ pour 1 kg d eau Flux de sodium apporté: Fa=B c Fa= 3,7 x 10 16 x 11 x 10-6 Fa= 4,07 x 10 11 kg/an

Flux de sodium apporté Flux de sodium piégé: Fp= P t m(na+) Fp= 6 x 10 13 x 0,04 x 0,165 Fp= 3,96 x 10 11 kg/an Flux de sodium apporté: Fa=B c Fa= 3,7 x 10 16 x 11 x 10-6 Fa= 4,07 x 10 11 kg/an Na+ OCEAN Na+

Chimie de l eau de mer Flux de sodium piégé: Fp= 3,96 x 10 11 kg/an Flux de sodium apporté: Fa= 4,07 x 10 11 kg/an Implication pour la chimie des océans? Na+ OCEAN Na+

Chimie de l eau de mer Na+ Bilan équilibré Salinité des océans régulée (un processus similaire contrôle le bilan de chlore dans les océans avec la production de minéraux magnésiens hydratés comme les amphiboles à partir des pyroxènes) Environnement marin stable pour la biomasse marine. OCEAN Na+