Minéraux argileux : classification, composition, propriétés et applications

2024 Auteur: Henry Conors | [email protected]. Dernière modifié: 2024-02-12 07:04

Les minéraux argileux sont des phyllosilicates d'aluminium aqueux, parfois avec diverses impuretés de fer, de magnésium, de métaux alcalins et alcalino-terreux, et d'autres cations trouvés sur ou à proximité de certaines surfaces planétaires.

Ils se forment en présence d'eau et étaient autrefois importants pour l'émergence de la vie, c'est pourquoi de nombreuses théories de l'abiogenèse les incluent dans ce processus. Ce sont des constituants importants des sols et ont été bénéfiques pour les humains depuis l'Antiquité dans l'agriculture et la fabrication.

Éducation

Les argiles forment des feuilles hexagonales plates similaires aux micas. Les minéraux argileux sont des produits d' altération courants (y compris l' altération du feldspath) et des produits à basse température de l' altération hydrothermale. Ils sont très fréquents dans les sols, dans les roches sédimentaires à grains fins telles que les schistes, les mudstones et les siltstones, ainsi que dans les schistes métamorphiques à grains fins et les phyllites.

Caractéristiques

Les minéraux argileux sont généralement (mais pas nécessairement) de taille ultrafine. Ils sont généralement considérés comme étant inférieurs à 2 micromètres dans la classification standard de la taille des particules, de sorte que des techniques analytiques spéciales peuvent être nécessaires pour les identifier et les étudier. Celles-ci incluent la diffraction des rayons X, les techniques de diffraction des électrons, diverses méthodes spectroscopiques telles que la spectroscopie Mössbauer, la spectroscopie infrarouge, la spectroscopie Raman et le SEM-EDS, ou des processus de minéralogie automatisés. Ces méthodes peuvent être complétées par la microscopie à lumière polarisée, une technique traditionnelle qui permet d'établir des phénomènes fondamentaux ou des relations pétrologiques.

Distribution

Étant donné le besoin d'eau, les minéraux argileux sont relativement rares dans le système solaire, bien qu'ils soient répandus sur Terre, où l'eau interagit avec d'autres minéraux et matières organiques. Ils ont également été trouvés à plusieurs endroits sur Mars. La spectrographie a confirmé leur présence sur les astéroïdes et les planétoïdes, y compris la planète naine Cérès et Tempel 1, et la lune de Jupiter Europe.

Classement

Les principaux minéraux argileux sont inclus dans les groupes suivants:

Groupe Kaoline, qui comprend les minéraux kaolinite, dickite, halloysite et nakrite (polymorphes de Al2Si2O5 (OH) 4). Certaines sources incluent le groupe kaolinite-serpentine en raison de la similitude structurelle (Bailey1980).
Groupe des smectites, qui comprend les smectites dioctaédriques telles que la montmorillonite, la nontronite et la beidellite et les smectites trioctaédriques telles que la saponite. En 2013, des tests analytiques effectués par le rover Curiosity ont trouvé des résultats compatibles avec la présence de minéraux d'argile smectite sur la planète Mars.
Groupe Illite, qui comprend les micas argileux. L'illite est le seul minéral commun de ce groupe.
Le groupe des chlorites comprend une large gamme de minéraux similaires avec des variations chimiques importantes.

Autres espèces

Il existe d'autres types de ces minéraux tels que la sépiolite ou l'attapulgite, des argiles avec de longs canaux d'eau internes dans la structure. Les variations d'argile à couche mixte sont pertinentes pour la plupart des groupes susmentionnés. La commande est décrite comme une commande aléatoire ou régulière et est décrite plus en détail par le terme "Reichweit", qui signifie "gamme" ou "couverture" en allemand. Les articles de la littérature font par exemple référence à l'illite-smectite ordonnée R1. Ce type est inclus dans la catégorie ISISIS. R0, d'autre part, décrit un ordre aléatoire. En plus de ceux-ci, vous pouvez également trouver d'autres types de commandes étendues (R3, etc.). Les minéraux argileux à couches mixtes, qui sont des types parfaits de R1, ont souvent leurs propres noms. La chlorite-smectite ordonnée R1 est connue sous le nom de corrensite, R1 - illite-smectite - rectorite.

Historique des études

La connaissance de la nature de l'argile est devenue plus compréhensibledans les années 1930 avec le développement des technologies de diffraction des rayons X nécessaires à l'analyse de la nature moléculaire des particules d'argile. La normalisation de la terminologie a également émergé au cours de cette période, avec une attention particulière aux mots similaires qui ont conduit à la confusion, tels que feuille et avion.

Comme tous les phyllosilicates, les minéraux argileux sont caractérisés par des feuillets bidimensionnels de tétraèdres angulaires SiO4 et/ou d'octaèdres AlO4. Les blocs de feuille ont une composition chimique (Al, Si) 3O4. Chaque tétraèdre de silicium partage 3 de ses atomes d'oxygène de vertex avec d'autres tétraèdres, formant un réseau hexagonal en deux dimensions. Le quatrième sommet n'est pas partagé avec un autre tétraèdre, et tous les tétraèdres "pointent" dans la même direction. Tous les sommets indivis sont du même côté de la feuille.

Structure

Dans les argiles, les feuillets tétraédriques sont toujours liés à des feuillets octaédriques, formés de petits cations comme l'aluminium ou le magnésium, et coordonnés par six atomes d'oxygène. Le seul sommet de la feuille tétraédrique fait également partie d'un côté de l'octaèdre, mais l'atome d'oxygène supplémentaire est situé au-dessus de l'espace dans la feuille tétraédrique au centre des six tétraèdres. Cet atome d'oxygène est lié à l'atome d'hydrogène qui forme le groupe OH dans la structure de l'argile.

Les argiles peuvent être classées en fonction de la façon dont les feuilles tétraédriques et octaédriques sont emballées en couches. Si chaque couche n'a qu'un groupe tétraédrique et un groupe octaédrique, alors elle appartient à la catégorie 1:1. Une alternative connue sous le nom d'argile 2: 1 a deux feuilles tétraédriques avecle sommet indivis de chacun d'eux, dirigé l'un vers l'autre et formant chaque côté de la feuille octogonale.

La connexion entre les feuilles tétraédriques et octaédriques nécessite que la feuille tétraédrique soit ondulée ou tordue, provoquant une distorsion ditrigonale de la matrice hexagonale et que la feuille octaédrique s'aplatisse. Cela minimise la distorsion de valence globale de la cristallite.

Selon la composition des feuillets tétraédriques et octaédriques, la couche n'aura pas de charge ou en aura une négative. Si les couches sont chargées, cette charge est équilibrée par des cations intercouches tels que Na+ ou K+. Dans chaque cas, la couche intermédiaire peut également contenir de l'eau. La structure cristalline est formée d'un empilement de couches situées entre d'autres couches.

Chimie de l'argile

Parce que la plupart des argiles sont fabriquées à partir de minéraux, elles ont une biocompatibilité élevée et des propriétés biologiques intéressantes. En raison de sa forme de disque et de ses surfaces chargées, l'argile interagit avec un large éventail de macromolécules telles que les protéines, les polymères, l'ADN, etc. Certaines des applications des argiles incluent l'administration de médicaments, l'ingénierie tissulaire et la bio-impression.

La chimie de l'argile est une discipline appliquée de la chimie qui étudie les structures chimiques, les propriétés et les réactions de l'argile, ainsi que la structure et les propriétés des minéraux argileux. C'est un domaine interdisciplinaire, incorporant des concepts et des connaissances des domaines inorganique et structurel.chimie, chimie physique, chimie des matériaux, chimie analytique, chimie organique, minéralogie, géologie et autres.

L'étude de la chimie (et de la physique) des argiles et de la structure des minéraux argileux est d'une grande importance académique et industrielle, car ils font partie des minéraux industriels les plus utilisés comme matières premières (céramique, etc.), adsorbants, catalyseurs etc.

L'importance de la science

Les propriétés uniques des minéraux argileux du sol, telles que la structure en couches de l'échelle nanométrique, la présence de charges fixes et interchangeables, la capacité d'adsorber et de retenir (intercaler) les molécules, la capacité de former des dispersions colloïdales stables, la possibilité de modification de surface individuelle et de modification chimique intercouche, et d'autres font de l'étude de la chimie de l'argile un domaine d'étude très important et extrêmement diversifié.

De nombreux domaines de connaissances différents sont influencés par le comportement physico-chimique des minéraux argileux, des sciences de l'environnement au génie chimique, de la céramique à la gestion des déchets nucléaires.

Leur capacité d'échange cationique (CEC) est d'une grande importance pour équilibrer les cations les plus abondants dans le sol (Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+) et le contrôle du pH, qui affecte directement la fertilité du sol. L'étude des argiles (et des minéraux) joue également un rôle important dans le traitement du Ca2+, qui provient généralement de la terre (eau de rivière) vers les mers. La capacité de modifier et de contrôler la composition et la teneur en minéraux offre un outil précieux dans le développementdes adsorbants sélectifs aux applications diverses, comme par exemple la réalisation de capteurs chimiques ou d'agents de nettoyage d'eau polluée. Cette science joue également un rôle énorme dans la classification des groupes de minéraux argileux.