TD 7- Réactions minéralogiques et bilans chimiques

Basalte: composition minéralogique Echantillon macroscopique 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 et blanches.

Réaction avec l’eau de mer Contact direct basalte -eau de mer. Infiltration de l’eau au contact des minéraux + augmentation de la température (350°C). = Réaction des minéraux avec l’eau de mer et leur composition chimique change.

Réaction avec l’eau de mer Vie abondante en relation avec les fumeurs noirs Exemple des vers tubicoles vivant directement sur les fumeurs !

Réaction avec l’eau de mer Formation de très nombreux types de minéraux : Albite et amazonite Sylvite Gypse Mésolite Opale Rhodochrosite

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

Formule générale des silicates Formule structurale NaAlSi3O8 albite CaAl2Si2O8 anothite orthose KAlSi3O8 FELDSPATHS  Formule générale des silicates Xm Yn (Zp Oq) Wr 1 - Les minéraux ne sont jamais purs, ce sont des mélanges de pôles purs exemple: cas du feldspath othose pôle pur: KAlSi3O8 en réalité on peut aussi avoir du Na: (K,Na)AlSi3O8  Feldspaths alcalins (mélange en proportions variables d’orthose et d’albite)  Calculer la formule structurale = connaître précisément les proportions de Na et K

Formule générale des silicates Formule structurale NaAlSi3O8 albite CaAl2Si2O8 anothite orthose KAlSi3O8 FELDSPATHS  Formule générale des silicates Xm Yn (Zp Oq) Wr 2 – Cas de l’aluminium: Al localisé en site octaédrique (ions X et Y) ou tétraédrique (ions Z) Quand l'analyse chimique indique un nombre de Si insuffisant pour atteindre le nombre de cations, de l'Al va compléter ce nombre dans le site tétraédrique Attention à respecter la neutralité site tétraédrique: Si4+  Al3+ site octaédrique: X+  X2+  Calculer la formule structurale = connaître les proportion d’Al en site tétraédrique et en site octaédrique

Formule structurale Déterminer la formule structurale d'un silicate (par exemple) connaître la répartition des cations connaître 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 structurale du plagioclase Pour connaître la composition chimique du plagioclase on utilise une microsonde électronique (Schéma: Université de Montpellier)

Formule structurale du plagioclase Faisceau d’électrons Source d’électrons échantillon Détecteur de rayons X Rayons X Pour connaître la composition chimique du plagioclase on utilise une microsonde électronique (Schéma: Université de Montpellier) Principe: Faisceau d’électrons Interaction avec l’échantillon émission de rayons X détection de la longueur d’onde des rayons X

Formule structurale du plagioclase Faisceau d’électrons Source d’électrons échantillon Détecteur de rayons X Rayons X Chaque longueur d’onde correspond à un élément  reconnaissance de l’élément Intensité: quantité de chaque élément Longueur d’onde (Å) Intensité

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde Masse molaire Quantité de matière pour XaOb Quantité de cations Xa+ Quantité d’oxygène Ob Nb de cations/Nb total d’oxygènes Unités g g/mol mol Notations 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 nX nO SiO2 44.4 Al2O3 35.87 CaO 19.5 Na2O 0.16 % oxydes 99.93 On obtient la formule chimique du plagioclase, c'est à dire le poids en éléments majeurs ramenés en poids d'oxydes et à 100%. Consigne: faire les calculs uniquement pour la silice SiO2

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde Masse molaire Quantité de matière pour XaOb Quantité de cations Xa+ Quantité d’oxygène Ob Nb de cations/Nb total d’oxygènes Unités g g/mol mol Notations 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 nX nO SiO2 44.4 60 Al2O3 35.87 CaO 19.5 Na2O 0.16 % oxydes 99.93 Masse molaire de la silice SiO2 Données: masse d’oxyde 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 masses molaires atomiques MX et MO Calcul: 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 =𝐚× 𝐌 𝐱 +𝐛× 𝐌 𝐎

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde Masse molaire Quantité de matière pour XaOb Quantité de cations Xa+ Quantité d’oxygène Ob Nb de cations/Nb total d’oxygènes Unités g g/mol mol Notations 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 nX nO SiO2 44.4 60 0.740 Al2O3 35.87 CaO 19.5 Na2O 0.16 % oxydes 99.93 Quantité de matière de SiO2 Données: masse d’oxyde 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 masses molaires atomiques MX et MO masse molaire moléculaire 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 Calcul: 𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 = 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde Masse molaire Quantité de matière pour XaOb Quantité de cations Xa+ Quantité d’oxygène Ob Nb de cations/Nb total d’oxygènes Unités g g/mol mol Notations 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 nX nO SiO2 44.4 60 0.740 1.480 Al2O3 35.87 CaO 19.5 Na2O 0.16 % oxydes 99.93 Quantités de Si (cation) et d’O Données: masse d’oxyde 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 masses molaires atomiques MX et MO masse molaire moléculaire 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 quantité de matière moléculaire 𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 Calculs: 𝐧 𝐗 =𝐚×𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐧 𝐎 =𝐛×𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde Masse molaire Quantité de matière pour XaOb Quantité de cations Xa+ Quantité d’oxygène Ob Nb de cations/Nb total d’oxygènes Unités g g/mol mol Notations 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 nX nO SiO2 44.4 60 0.740 1.480 Al2O3 35.87 CaO 19.5 Na2O 0.16 % oxydes 99.93 Consigne: faire les mêmes calculs pour Al2O3, CaO et Na2O Quantités de Si (cation) et d’O Données: masse d’oxyde 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 masses molaires atomiques MX et MO masse molaire moléculaire 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 quantité de matière moléculaire 𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 Calculs: 𝐧 𝐗 =𝐚×𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐧 𝐎 =𝐛×𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛

Formule structurale du plagioclase Consigne: faire les mêmes calculs pour Al2O3, CaO et Na2O Données: masses en pourcentages d’oxydes (g): 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 masses molaires atomiques (g/mol): MX et MO Calculs intermédiaires: masse molaire d’oxyde (g/mol): 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 =𝐚× 𝐌 𝐱 +𝐛× 𝐌 𝐎 quantité de matière pour X a O b (mol): 𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 = 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 quantité de matière pour X (mol): 𝐧 𝐗 =𝐚×𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 quantité de matière pour O (mol): 𝐧 𝐎 =𝐛×𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde Masse molaire Quantité de matière pour XaOb Quantité de cations Xa+ Quantité d’oxygène Ob Nb de cations/Nb total d’oxygènes Unités g g/mol mol Notations 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 nX nO SiO2 44.4 60 0.740 1.480 Al2O3 35.87 102 0.352 0.704 1.055 CaO 19.5 56 0.348 Na2O 0.16 62 0.003 0.006 % oxydes 99.93 Nbr cations / nbr total d’oxygènes formule théorique des plagioclases: NawCaxAlySizO8

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde Masse molaire Quantité de matière pour XaOb Quantité de cations Xa+ Quantité d’oxygène Ob Nb de cations/Nb total d’oxygènes x8 Unités g g/mol mol Notations 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 nX nO SiO2 44.4 60 0.740 1.480 2.051 Al2O3 35.87 102 0.352 0.704 1.055 1.949 CaO 19.5 56 0.348 0.970 Na2O 0.16 62 0.003 0.006 0.014 % oxydes 99.93 2.886 Nbr cations / nbr total d’oxygènes formule théorique des plagioclases: NawCaxAlySizO8 calcul: 𝐧 𝐱 𝐧 𝐎 (𝐭𝐡𝐞𝐨𝐫𝐢𝐪𝐮𝐞) = 𝐧 𝐗 (𝐜𝐚𝐥𝐜) 𝐧 𝐎 (𝐜𝐚𝐥𝐜) × 𝐧 𝐎 (𝐭𝐡𝐞𝐨𝐫𝐢𝐪𝐮𝐞)

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde Masse molaire Quantité de matière pour XaOb Quantité de cations Xa+ Quantité d’oxygène Ob Nb de cations/Nb total d’oxygènes Unités g g/mol mol Notations 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 nX nO SiO2 44.4 60 0.740 1.480 2.051 Al2O3 35.87 102 0.352 0.704 1.055 1.949 CaO 19.5 56 0.348 0.970 Na2O 0.16 62 0.003 0.006 0.014 % oxydes 99.93 2.886 Formule structurale Na0.014 Ca0.970 (Al1.949 Si2.051 O8)

Formule structurale du plagioclase Formule chimique: Na0.014 Ca0.970 (Al1.949 Si2.051 O8) Vérification des calculs (rapide): pôles purs du plagioclase: Ca (Al2 Si2 O8) et Na (Al Si3 O8) Ca et Na doivent être entre 0 et 1 Na + Ca = 1 Si doit être entre 2 et 3 Al doit être entre 1 et 2 Al + Si = 4

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

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde Masse molaire Quantité de matière pour XaOb Quantité de cations Xa+ Quantité d’oxygène Ob Nb de cations/Nb total d’oxygènes Unités g g/mol mol Notations 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 nX nO SiO2 67.69 Al2O3 20.35 CaO 0.08 Na2O 11.79 % oxydes 99.91 Consignes: déterminer la formule structurale du plagioclase sodique (riche en Na+) de la même manière que précédemment vérifier la validité des calculs

Formule structurale du plagioclase Consignes: déterminer la formule structurale du plagioclase sodique (riche en Na+) de la même manière que précédemment vérifier la validité des calculs Données: masses en pourcentages d’oxydes (g): 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 masses atomiques (g/mol): MX et MO Calculs intermédiaires: masse molaire d’oxyde (g/mol): 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 =𝐚× 𝐌 𝐱 +𝐛× 𝐌 𝐎 quantité de matière pour X a O b (mol): 𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 = 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 quantité de matière pour X (mol): 𝐧 𝐗 =𝐚×𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 quantité de matière pour O (mol): 𝐧 𝐎 =𝐛×𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 Calcul final formule théorique des plagioclases: NawCaxAlySizO8 calcul des proportions de cations en fonction du nombre d’oxygènes théorique: 𝐧 𝐱 𝐧 𝐎 (𝐭𝐡𝐞𝐨𝐫𝐢𝐪𝐮𝐞) = 𝐧 𝐗 (𝐜𝐚𝐥𝐜) 𝐧 𝐎 (𝐜𝐚𝐥𝐜) × 𝐧 𝐎 (𝐭𝐡𝐞𝐨𝐫𝐢𝐪𝐮𝐞)

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde Masse molaire Quantité de matière pour XaOb Quantité de cations Xa+ Quantité d’oxygène Ob Nb de cations/Nb total d’oxygènes Unités g g/mol mol Notations 𝐦 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐌 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 𝐧 𝐗 𝐚 𝐎 𝐛 nX nO SiO2 67.69 60 1.128 2.256 2.963 Al2O3 20.35 102 0.200 0.399 0.599 1.048 CaO 0.08 56 0.001 0.004 Na2O 11.79 62 0.190 0.380 0.999 % oxydes 99.91 3.046 Formule chimique Na0.999 Ca0.004 (Al1.048 Si2.963 O8)

Formule structurale du plagioclase Formule chimique: Na0.999 Ca0.004 (Al1.048 Si2.963 O8) Vérification des calculs (rapide): pôles purs du plagioclase: Ca (Al2 Si2 O8) et Na (Al Si3 O8) Ca et Na doivent être entre 0 et 1 Na + Ca = 1 Si doit être entre 2 et 3 Al doit être entre 1 et 2 Al + Si = 4

Formule structurale du plagioclase Formule chimique: Na0.999 Ca0.004 (Al1.048 Si2.963 O8) Vérification des calculs (plus longue): Somme des cations (+): 0.999 x 1 + 0.004 x 2 + 1.048 x 3 + 2.963 x 4 = 16.003 Somme des anions (-): 8 x 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 Albite 100% Ca 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 (plagioclases notamment) réagissent avec l’eau de mer et leur composition chimique change.

Formule structurale du plagioclase La composition chimique du plagioclase varie entre deux pôles: Na+ Ca2+ plagioclase calcique plagioclase sodique Ca (Al2 Si2 O8) Na (Al Si3 O8) Attention, le plagioclase réel a toujours une composition intermédiaire!!!

Formule structurale du plagioclase La composition chimique du plagioclase varie entre deux pôles: Na+ Ca2+ plagioclase calcique plagioclase sodique Ca (Al2 Si2 O8) Na (Al Si3 O8) Exemple: Na0.25 Ca0.75 (Al1.75 Si2.25 O8)

Equation de la réaction plagioclase calcique plagioclase sodique Ca (Al2 Si2 O8) Na (Al Si3 O8) + Quels réactifs? + Quels produits?

Equation de la réaction plagioclase calcique plagioclase sodique Ca (Al2 Si2 O8) Na (Al Si3 O8) + + Na+ Ca2+ SiO2 On ne tient pas compte de l’eau source de sodium: l’eau de mer source de SiO2: le magma

Equation de la réaction plagioclase calcique plagioclase sodique Ca (Al2 Si2 O8) 2 Na (Al Si3 O8) + 4 SiO2 + Ca2+ + 2 Na+ On ne tient pas compte de l’eau source de sodium: l’eau de mer source de SiO2: le magma Chaque plagioclase calcique qui réagit consomme 2 ions sodium (Na+).

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

Flux de sodium piégé Données: Production de croute océanique: P= 6 x 10 13 kg/an Quantité de plagioclases qui réagissent au sein de la croûte: taux= 4% Question: Masse de Na+ piégé quand 1 kg de plagioclases réagissent? Ca (Al2 Si2 O8) + 4 SiO2 + 2 Na+ 2 Na (Al Si3 O8) + Ca2+ Pour une mole de plagioclase calcique, on piège 2 moles de sodium. n Na + =2× n plagioCa et n= m M m Na + M Na + =2× m plagioCa M plagioCa 𝐦 𝐍𝐚 + =𝟐× 𝐦 𝐩𝐥𝐚𝐠𝐢𝐨𝐂𝐚 𝐌 𝐩𝐥𝐚𝐠𝐢𝐨𝐂𝐚 × 𝐌 𝐍𝐚 + Application numérique: 𝐦 𝐍𝐚 + =2× 1000 278 ×23=𝟎.𝟏𝟔𝟓 𝐤𝐠

Flux de sodium Flux sortant Données: Production de croute océanique: P = 6 x 1013 kg/an Quantité de plagioclases qui réagissent au sein de la croûte: taux= 4% Masse de Na+ piégé quand 1 kg de plagioclases réagissent: 𝐦 𝐍𝐚 + =𝟎.𝟏𝟔𝟓 𝐤𝐠

Flux de sodium Flux sortant Données: Production de croute océanique: P = 6 x 1013 kg/an Quantité de plagioclases qui réagissent au sein de la croûte: taux= 4% Masse de Na+ piégé quand 1 kg de plagioclases réagissent: 𝐦 𝐍𝐚 + =𝟎.𝟏𝟔𝟓 𝐤𝐠 Flux de sodium piégé: F P =P×taux× m Na + F P =6× 10 13 ×0.04×0.165 𝐅 𝐏 =𝟑.𝟗𝟔× 𝟏𝟎 𝟏𝟏 𝐤𝐠/𝐚𝐧

Flux de sodium Flux sortant Flux entrant Données: Données: Production de croute océanique: P = 6 x 1013 kg/an Quantité de plagioclases qui réagissent au sein de la croûte: taux= 4% Masse de Na+ piégé quand 1 kg de plagioclases réagissent: 𝐦 𝐍𝐚 + =𝟎.𝟏𝟔𝟓 𝐤𝐠 Flux de sodium piégé: F P =P×taux× m Na + F P =6× 10 13 ×0.04×0.165 𝐅 𝐏 =𝟑.𝟗𝟔× 𝟏𝟎 𝟏𝟏 𝐤𝐠/𝐚𝐧 Flux entrant Données: Flux aqueux des rivières: B = 3,7 x 1016 kg/an Teneur des rivières en Na+: c = 11 ppm ppm: partie par million soit 11 mg de Na+ pour 1 kg d’eau

Flux de sodium Flux sortant Flux entrant Données: Données: Production de croute océanique: P = 6 x 1013 kg/an Quantité de plagioclases qui réagissent au sein de la croûte: taux= 4% Masse de Na+ piégé quand 1 kg de plagioclases réagissent: 𝐦 𝐍𝐚 + =𝟎.𝟏𝟔𝟓 𝐤𝐠 Flux de sodium piégé: F P =P×taux× m Na + F P =6× 10 13 ×0.04×0.165 𝐅 𝐏 =𝟑.𝟗𝟔× 𝟏𝟎 𝟏𝟏 𝐤𝐠/𝐚𝐧 Flux entrant Données: Flux aqueux des rivières: B = 3,7 x 1016 kg/an Teneur des rivières en Na+: c = 11 ppm ppm: partie par million soit 11 mg de Na+ pour 1 kg d’eau Flux de sodium apporté: F a =B×c F a =3.7× 10 16 ×11× 10 −6 𝐅 𝐚 =𝟒.𝟎𝟕× 𝟏𝟎 𝟏𝟏 𝐤𝐠/𝐚𝐧

Implication pour la chimie des océans? Chimie de l’eau de mer Flux de sodium piégé: Fp = 3,96 x 1011 kg/an Flux de sodium apporté: Fa = 4,07 x 1011 kg/an Implication pour la chimie des océans? Na+ OCEAN Na+

Implication pour la chimie des océans? Chimie de l’eau de mer Flux de sodium piégé: Fp = 3,96 x 1011 kg/an Flux de sodium apporté: Fa = 4,07 x 1011 kg/an Implication pour la chimie des océans? Bilan équilibré Salinité des océans régulée processus similaire pour contrôler le bilan du chlore dans les océans: pyroxènes  minéraux magnésiens hydratés (ex: amphiboles) Environnement marin stable pour la biomasse marine. Na+ OCEAN Na+

A la semaine prochaine !