Transcription of les couleurs dans les mineraux - Géologie Info
1 Les couleurs dans les Min raux Alain ABREAL juillet 2002 _____ - PAGE 1 - LA COULEUR DANS LES mineraux INTRODUCTION La couleur est l un des l ments les plus attractifs d un min ral, quels ne sont pas les charmes du bleu profond de l azurite, le rouge orang de la vanadinite, ou le vert intense de la pyromorphite. C est pourquoi, la couleur est souvent consid r e comme tant l un des crit res de reconnaissance des min raux. Or, s il est vrai que certains min raux ont une couleur propre, bon nombre d entre eux n ont pas de couleur qui leur soit attitr e. Le quartz pour ne citer que celui-ci peut tre rencontr sous toute la gamme des couleurs ou presque : incolore, blanc, violet en tant qu am thyste, bleu rarement, jaune orang en tant que citrine, rouge h mato de ou encore noir fum ou morion.
2 Mais si l on cherche comprendre les causes de la couleur dans un min ral, la fascination provoqu e par l esth tique doit laisser place une toute autre mati re, la physique quantique. En effet, bien que tr s peu romantique, la couleur prend le plus souvent ses sources dans les interactions entre la lumi re ( nergie) et les lectrons. On peut distinguer les interactions physiques, pour lesquelles la lumi re n est affect e que d une mani re lastique, c est dire que sa direction est perturb e mais pas son intensit ; on peut citer les ph nom nes de r fraction, diffusion ou diffraction ; des interactions chimiques o les interactions sont in lastiques, pour lesquelles une partie de l nergie de la lumi re est absorb e. Il s agit ici principalement de ph nom nes d absorption par des l ments de transition, de centres color s ou par des transferts de charges dans des groupements de plusieurs atomes.
3 I. RAPPELS 1. La Lumi re et sa Perception La lumi re Tout le monde conna t la lumi re blanche du soleil. Pourtant, lorsqu un faisceau de cette lumi re traverse la pluie, il se forme un arc-en-ciel riche en couleurs . En fait la lumi re blanche du soleil est une superposition continue de faisceaux d ondes lectromagn tiques de diff rentes longueurs d ondes auxquelles sont assimil es des couleurs . De m me, un prisme qui a la capacit de r fracter plus ou moins chaque onde selon sa longueur d onde (peu le rouge et davantage le violet) permet de d composer la lumi re blanche en sa multitude de composantes ( ). La longueur d onde l (ou la fr quence n = c/ l avec c la vitesse de la lumi re) est la caract ristique de l onde. Nous parlerons galement du photon. Selon Einstein et sa th orie onde-corpuscule, chaque onde lumineuse est associ e un photon dont l nergie est h n = h c/ l o h est la constante de Planck.
4 Les couleurs dans les Min raux Alain ABREAL juillet 2002 _____ - PAGE 2 - : D composton delalumi re blanhepar unprisme : D composition de la lumi re blanche par un prisme Pr sentation de la longueur d onde qui est la longueur d une p riode ou cycle de l onde L il humain La r tine, l l ment sensible de l il la lumi re est constitu e dans sa partie p riph rique de b tonnets qui sont sensibles aux faibles intensit s lumineuses ( ce sont eux qui nous permettent de voir dans la p nombre), mais ils sont insensibles aux couleurs . La partie centrale de la r tine est compos e de c nes qui nous permettent de voir en plein jour et surtout de distinguer les couleurs . Il existe trois types de c nes comme pour un capteur ou un cran RGB (Red-Green-Blue) qui nous permettent de distinguer les trois couleurs fondamentales, le rouge, le vert, et le bleu.
5 L il humain est ainsi capable de voir des ondes lumineuses dont la longueur d onde est comprise entre 3500 Angstrom (violet) et 6500 Angstrom (rouge), en passant par le bleu, le vert, le jaune et l'orange ( ). Fig. 2 : Ensemble du spectre des ondes lectromagn tiques dont la lumi re visible n est qu une tr s fine section. Rouge : plus grande longueur d onde plus faible nergie Violet : plus petite longueur d onde plus grande nergie l l Les couleurs dans les Min raux Alain ABREAL juillet 2002 _____ - PAGE 3 - La vision de la couleur Lorsque la lumi re du soleil frappe un objet, un tre, ou un min ral, une partie de cette lumi re (certaines fr quences ou longueur d ondes) est absorb e ou transmise, et les autres ondes lumineuses sont r mises.
6 Ce sont ces ondes r mises que notre il per oit et qui nous informe sur la couleur de l objet. Ainsi par exemple, les plantes nous paraissent principalement vertes, car la chlorophylle pr sente dans les plantes absorbe la lumi re rouge et la lumi re bleu violette pour la photosynth se et renvoie le faisceau de lumi re verte que nous pouvons alors percevoir par l interm diaire de notre il. Il faut donc bien comprendre que la perception de la couleur s effectue par soustraction des couleurs absorb es de la lumi re incidente et que notre il per oit les ondes compl mentaires aux ondes absorb es ou transmises. 2 . L atome On ne peut pas pr senter les interactions entre la lumi re et la mati re sans revenir quelque peu l atome. L atome est constitu d un noyau central compos de protons et de neutrons, et en p riph rie de nuages d lectrons appel es orbitales atomiques.
7 Plusieurs mod les ont cherch repr senter ces orbitales atomiques. Tout d abord, Niels BOHR (1885-1962), a pr sent l atome comme un noyau central et des lectrons qui tournaient autour de ce noyau selon des orbites circulaires, chaque lectron ayant sa propre orbite. Ce mod le bien qu erron a le m rite de la simplicit et permet une bonne visualisation d ensemble de l atome . Depuis, nous avons r solu l quation de Schr dinger Ey = Hy pour l lectron. La r solution de cette quation a fait appara tre diff rents nombres quantiques : n : nombre quantique principal, l : nombre quantique secondaire, m : nombre quantique magn tique et s : nombre quantique de spin, et surtout a permis de d finir la forme des orbitales atomiques qui ont la forme de poires (annexe1). En outre, nous avons nomm chaque niveau lectronique par des lettres : s (singular (je crois)), p (principal), d (diffuse) et f (fundamental).
8 Ces nombres caract risent l tat d nergie des lectrons. Ces 4 lettres d signent donc l tat lectronique d un atome et sont repris par le tableau p riodique des l ments : - A chaque passage une ligne inf rieure, il y a incr mentation de 1 couche lectronique - A chaque passage la colonne suivante, il y a incr mentation de 1 proton et 1 lectron et le cas ch ant passage d un tat s, p, f, ou d un autre lorsque ce niveau est rempli. En effet, les orbitales s peuvent contenir 2 lectrons, les orbitales p, 6 lectrons, les d 10 lectrons et les f 14 lectrons. II. L ABSORPTION SELECTIVE DES CATIONS D ELEMENTS DE TRANSITION 1. Labsorption de lumi re par les transitions d-d La cause principale de la coloration des min raux clat non m tallique : vitreux, adamantin, etc., r side dans la pr sence d ions positifs (ou cations) d l ments de transition dans le min ral.
9 Les l ments de transition sont repr sent s dans le tableau p riodique des l ments, en gris (annexe 2). Ils sont d finis comme tant des l ments qui poss dent des couches lectroniques d et/ou f (pour les actinides et les lanthanides (appel s aussi terres rares)). Les couleurs dans les Min raux Alain ABREAL juillet 2002 _____ - PAGE 4 - Les principaux ions responsables de la coloration des min raux sont ceux de la 4 me ligne dont la structure lectronique est 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3dx, x=1 9, c est dire les ions du scandium Sc, du titane Ti, du chrome Cr, du mangan se Mn, du fer Fe, du cobalt Co et du cuivre Cu (le zinc Zn est part), et dans une moindre mesure l yttrium Y, le c rium Ce ou l uranium Dans cet expos nous allons nous int resser plus particuli rement aux l ments de la 4 me ligne qui ont un niveau lectronique 3d incomplet.
10 Les ions de ces l ments de transition ont des sites lectroniques libres, accepteurs d lectrons. Dans un min ral, sont pr sents galement les anions ou ions n gatifs (essentiellement O2-, mais aussi Cl-, F- etc.). Ces anions cr ent autour des cations de ces l ments de transition avec qui ils sont en coordinence un champ lectrostatique par leur nuage lectronique, appel de mani re impropre champ cristallin . Compte tenu qu il s agit d interactions entre un cation et ses ligands, on pr f re parler de la th orie des ligands. Les ligands, souvent l ion oxyg ne O2-, peut donner deux lectrons pour former une liaison iono-covalente avec le cation m tallique. Selon la nature de l ion, en particulier le nombre d lectrons 3d dont il dispose et de sa coordinence ou nombre de ligands associ s, les interactions entre le cation m tallique et ses ligands ne sont pas les m mes.
