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 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-). Formule générale des silicates : Xm Yn (Zp Oq) Wr

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.

Formule chimique du plagioclase 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.

Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes SiO244.4 Al2O CaO19.5 Na2O0.16 % oxydes99.93 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).

Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire molaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes SiO Al2O CaO19.5 Na2O0.16 % oxydes99.93 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

Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire molaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes SiO Al2O CaO Na2O % oxydes99.93 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

Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire molaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes SiO Al2O CaO Na2O % oxydes99.93 Nombre de moles d’un oxyde (colonne3): n (XO)= m(XO) / M(XO) n(SiO2) = m(SiO2) / M(SiO2) = 44.4 / 60 = 0.740

Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire molaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes SiO Al2O CaO Na2O % oxydes99.93 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).

Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire molaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes SiO Al2O CaO Na2O % oxydes99.93 Nbre de cations (colonne4): quantité de cations libérés quand les molécules d’oxyde se brisent. n(Si 4+ ) = n(SiO2) = 0.740

Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire molaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes SiO Al2O CaO Na2O % oxydes99.93 Nbre de cations (colonne4): quantité de cations libérés quand les molécules d’oxyde se brisent. n(Si 4+ ) = n(SiO2) = 0.740

Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire molaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes SiO Al2O CaO Na2O % oxydes99.93 Nbre d’oxygène (colonne5): quantité d’oxygènes libérés quand les molécules d’oxyde se brisent. n(O) = n(SiO2) *2 = 1.480

Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire molaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes SiO Al2O CaO Na2O % oxydes99.93 Nbre d’oxygène (colonne5): quantité d’oxygènes libérés quand les molécules d’oxyde se brisent. n(O) = n(SiO2) *2 = 1.480

Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire molaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes SiO Al2O CaO Na2O % oxydes Total des oxygènes (colonne5): somme de tous les oxygènes ntot(O) = = 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.

Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire molaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes 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 = 2.051

Formule chimique du plagioclase Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire molaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes 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 = 2.051

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

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

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.

Formule chimique du plagioclase Cas du plagioclase sodique (riche en Na+) Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire molaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes x8 SiO Al2O CaO0.08 Na2O11.79 % oxydes99.91

Formule chimique du plagioclase Cas du plagioclase sodique (riche en Na+) Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire molaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes x8 SiO Al2O CaO Na2O % oxydes99.91

Formule chimique du plagioclase Cas du plagioclase sodique (riche en Na+) Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire molaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes x8 SiO Al2O CaO Na2O % oxydes99.91

Formule chimique du plagioclase Cas du plagioclase sodique (riche en Na+) Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire molaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes x8 SiO Al2O CaO Na2O % oxydes99.91

Formule chimique du plagioclase Cas du plagioclase sodique (riche en Na+) Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire molaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes x8 SiO Al2O CaO Na2O % oxydes99.91

Formule chimique du plagioclase Cas du plagioclase sodique (riche en Na+) Lame Oxyde considéré Poids Masse d’oxyde m(XO) en g Poids Masse moléculaire molaire M(XO) en g/mol Nombre de moles n(XO) en mol Nombre de cations n(X+) en mol Nombre d’oxygènes n(O) en mol Nb de cations/Nb total d’oxygènes x8 SiO Al2O CaO Na2O % oxydes

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

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]

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.

Bilan Na0.999 Ca0.004 [Al1.048 Si2.963 O8] Na0.014 Ca0.970 [Al1.949 Si2.051 O8] 100% Na100% Ca Albite Anorthite 100% K Orthose

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.

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

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

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 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 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 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 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 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 apporté Flux aqueux des rivières: B=3,7 x kg/an Teneur des rivières en Na+: c=11 ppm soit 11 mg de Na+ pour 1 kg d’eau

Flux de sodium apporté Na+ OCEAN

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

Chimie de l’eau de mer Na+ OCEAN 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.