Science et technologie s1333

Les minéraux

​​​Un minéral est une substance naturelle inorganique, bien que parfois d’origine organique, qui se distingue d’un autre type de minéral par sa composition chimique. Chaque minéral est un agencement d’atomes selon une symétrie particulière formant ainsi un réseau cristallin donné (une seule sorte de cristaux).

On compte plus de 4000 sortes de minéraux différents. Tout minéral se trouve habituellement à l’état solide, bien qu’il puisse être à l’état liquide s’il est soumis à des températures et à des pressions élevées.

Contrairement à une roche, un minéral est une substance pure composée d’éléments identiques. De plus, un minéral n’a qu’une seule couleur dominante, bien que l’on retrouve souvent des impuretés dans les échantillons.

Il ne faut pas confondre minéral et minerai. Un minerai est une roche extraite de la lithosphère qui contient une quantité de minéral suffisamment grande pour en justifier l'exploitation. Lorsqu'on trouve des minerais, des mines sont construites pour exploiter le filon à sa capacité maximale.

Les propriétés des minéraux

Les propriétés optiques

L'éclat

L'éclat d'un minéral représente la façon par laquelle la lumière est réfléchie sur le minéral.

L'éclat peut être métallique (s'il possède une surface très réfléchissante ou très brillante), sub-métallique (si la surface est plus ou moins réfléchissante) ou non-métallique (si la surface n'est pas réfléchissante).

Pour vérifier l'éclat d'un minéral, il faut mettre l'échantillon sous une source de lumière et observer le reflet du minéral.

L'or présente un éclat métallique, alors que le quartz a un éclat non-métallique de type vitreux.

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La couleur du minéral

La couleur du minéral est la couleur prédominante du minéral en ne tenant pas compte des impuretés.

Pour vérifier la couleur du minéral, il est préférable (dans la mesure du possible) de casser le minéral pour noter les couleurs observables sur la casse.

La pyrite a une couleur dorée, alors que la galène est de couleur grise.
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La couleur d'un minéral ne permet pas toujours d'identifier un minéral. En effet, on définit la couleur de deux façons:

  • Minéral idiochromatique : la couleur est invariable et caractéristique, elle sert donc à l'identification du minéral
  • Minéral allochromatique : la couleur est variable et dépend des impuretés retrouvées dans le minéral

La malachite (à gauche) est un exemple de minéral idiochromatique alors que la fluorite (à droite) est un minéral allochromatique.


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La transparence et l'opacité

La transparence est la propriété qu’ont les minéraux de transmettre la lumière incidente.

Plus un minéral est translucide, plus il absorbe et transmet la lumière, bien que les objets peuvent apparaître flous si l’on observe à travers le minéral.

Pour observer la transparence d'un minéral, il faut observer un objet au travers d'un minéral et déterminer à quel point l'objet à regarder est flou ou non.

Le spath d'Islande (une variété de la calcite) est transparent, alors que l'apatite est opaque.

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L'indice de réfraction

L'indice de réfraction est la façon dont la lumière est déviée en pénétrant dans le minéral et en en sortant.

Le diamant a un indice de réfraction très élevé: la lumière reste donc dans ce minéral pour le rendre brillant.
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La couleur du trait

La couleur du trait est la couleur de la trace laissée par un minéral frotté sur une plaque de porcelaine non émaillée. Pour déterminer la couleur du trait, il faut frotter le minéral sur une plaque de porcelaine non émaillée et noter la couleur observée.

La pyrite (à gauche) produit un trait de couleur brun-noir alors que la rhodochrosite produit un trait blanc.

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Les propriétés chimiques

L'effervescence

L'effervescence est la capacité d'un minéral à réagir en présence d'un acide en produisant des bulles (de gaz).

Ces bulles sont dues au dégagement d’un gaz produit par la réaction chimique du minéral et de l’acide. On observe ce phénomène chez les minéraux composés de carbonates.

Pour vérifier si le minéral est effervescent, il suffit de déposer une ou deux gouttes d'acide chlorhydrique sur le minéral et d'observer si des bulles apparaissent.

La calcite produit de l'effervescence lorsqu'on dépose de l'acide sur sa surface.

Il existe d’autres propriétés chimiques pouvant être testées en laboratoire.

  • La photoluminescence est la capacité de certains minéraux de transformer l’énergie chimique en lumière.
  • La coloration sous la flamme est la réaction qu’ont certains minéraux de réagir à la chaleur d’une flamme en émettant une lumière d’une couleur donnée. La couleur produite est caractéristique de la composition chimique du minéral.
  • La composition chimique permet de déterminer le regroupement d’éléments chimiques présenté à l’aide d’une formule chimique.
  • La solubilité dans l’eau est la propriété du minéral de se dissoudre ou non dans l’eau.

Les propriétés physiques

La dureté

La dureté est la résistance du minéral à se faire rayer.

Certains minéraux peuvent être plus mous, alors que d'autre sont beaucoup plus durs. Pour vérifier la dureté, il faut tenter de rayer un minéral avec un ongle, un clou et une lime d'acier (ou un couteau) et déterminer quels objets peuvent rayer le minéral.

Pour classer leurs minéraux selon leur dureté, on utilise l'échelle de Mohs.

​DuretéTest de dureté
​Minéral ​
1Minéral se défait sous l’ongle
​Talc
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2Minéral rayable par l’ongle​Gypse
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3Minéral rayable par un cent​Calcite
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4Minéral rayable légèrement par un couteau​Fluorine
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5Minéral rayable par un couteauA​patite
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6Minéral rayable par une lime​Feldspath
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7Minéral raye une vitre​Quartz
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8Minéral rayable par du tungstène​Topaze
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9Minéral rayable par du silicium​Corindon
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10Minéral rayable par un autre diamant​Diamant
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Le clivage et la cassure

Le clivage est la propriété de certains minéraux de se briser en formant des surfaces planes et lisses.

La cassure est la propriété de certains minéraux de se briser de façon irrégulière dans toutes les directions, sans surface plane.

Pour étudier le clivage, il faut soumettre un minéral à un choc et analyser la brisure dans la structure cristalline.

La fluorine présente un clivage caractéristique.
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La masse volumique

La masse volumique est la propriété caractéristique qui représente le rapport entre la quantité de matière d'un minéral et son volume.

Pour déterminer la masse volumique, il faut prendre la masse du minéral et ensuite déterminer le volume du minéral par déplacement d'eau.

La masse volumique de l'or est 19,3 g/ml, alors que la masse volumique de la fluorine est 3,2 g/ml.

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​Source

Source

Le magnétisme

Le magnétisme est la propriété que possèdent certains minéraux d’attirer un aimant.

Pour vérifier le magnétisme d'un minéral, il faut approcher un aimant d'un minéral et vérifier s'il y a attraction ou répulsion entre le minéral et l'aimant.

La magnétite possède des propriétés magnétiques, alors que le talc ne possède aucune propriété magnétique.

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SourceSource

D'autres propriétés physiques peuvent être utilisées pour déterminer l'identité d'un minéral.
La densité relative est la comparaison de la masse volumique d’un minéral à la masse volumique du quartz (qui est d’environ 2,7 g/ml).
Le toucher est l'effet ressenti lorsqu’on passe sa main sur le minéral (rugueux, doux, etc.)

Les minéraux métalliques et industriels

Les minéraux métalliques sont composés d'éléments métalliques. Ils peuvent être fondus pour obtenir de nouveaux produits. Les minéraux métalliques à l’origine des métaux représentent plus de la moitié de l’ensemble des ressources minérales du Québec.

Les minéraux métalliques possèdent certaines caractéristiques:

  • Ils sont généralement associés à des roches ignées.
  • Ils sont généralement durs et brillants ou ont leurs propres lustres.
  • Ils sont ductiles et malléables.

Voici des minéraux métalliques à partir desquels certains métaux sont extraits.

Minéraux métalliques Métaux extraits Exemples d’utilisation
La chalcopyrite
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Le cuivre et l’orTuyaux de plomberie, bijoux, monnaie
L’hématite
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Le ferAlliages d’acier et de fonte en construction
La magnétite
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Source
La sphalérite
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Source
Le zincGalvanisation des aciers (protection contre la rouille)

Les minéraux industriels représentent près de 30 % de l’ensemble des roches minérales du Québec. Ces minéraux ne sont pas métalliques et sont extraits de roches dans le but d’en faire un usage industriel.

Voici quelques exemples de ces extractions.
​Matériaux industriels
​Minéraux industriels
​Exemples d'utilisation
​La serpentinite
​L'amiante (chrysotile)
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​Isolation (navette spatiale, combinaison de pompier, maison, etc.)
​Le marbre
​Le graphite
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​Crayon à mine, composite d'alliage pour les sports (raquettes, bâtons, skis, etc.)
​Le quartzite
​Le quartz
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​Source
​Épuration des eaux, décoration

Les pierres précieuses

Il n’existe que quatre sortes de pierres précieuses dans le monde. Toutefois, lorsqu’on visite une bijouterie ou une boutique où l’on vend des minéraux de collection, il semble en exister une infinité.

Cependant, pour mériter le titre de pierre précieuse, un minéral doit posséder les caractéristiques suivantes :

  • Selon l'échelle de Mohs, la dureté d’une pierre précieuse doit se situer entre 7,5 et 10;
  • Un seul cristal se trouve dans la pierre précieuse;
  • La pierre précieuse doit être esthétiquement belle par sa couleur et elle doit être rare.

On pèse les pierres précieuses en carats. Un carat équivaut à 200 mg de minéral.

Voici un tableau qui résume les principales propriétés des quatre pierres précieuses qui existent dans le monde.

Nom de la pierre précieuse Couleur Dureté
(selon l’échelle de Mohs)
Composition chimique Utilisations
Diamant
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Transparent10Carbone |(C)|Joaillerie, scalpels d’ophtalmologie, électrodes
Saphir
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Bleu9Oxyde d’aluminium |(Al_{2}O_{3})|Joaillerie
Rubis
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Source
Rouge9Oxyde d’aluminium |(Al_{2}O_{3})|Joaillerie, horlogerie, lasers
Émeraude
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Source
Vert7,5Silicate d’aluminium et de béryllium |(Be_{3}Al_{2}(Si_{6}O_{18}))| Joaillerie

Comme on peut le constater, l’or, le grenat, la topaze, le quartz, l’améthyste et le turquoise ne sont pas des pierres précieuses. En fait, l’or est un métal et les métaux, comme l’or et l’argent, ne sont pas des pierres précieuses. Pour ce qui est des autres pierres, elles appartiennent à la catégorie des pierres semi-précieuses. 

Pour être considéré comme une pierre semi-précieuse, le minéral doit être assez dur et gros, être transparent et d’une belle teinte, et finalement, être relativement rare ou...à la mode.

Voici une liste de pierres semi-précieuses.
​La topaze

 

​L’améthysteLe quartz
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​SourceSource​Source
​L’opale

 

La tourmaline

 

Le jade

 

Source ​Source Source

Les impacts de la transformation des minéraux

Les engrais minéraux

 

Avec le développement des sciences, l'Homme a observé que certains éléments de la nature aidaient à la croissance des plantes. Cependant, à grande échelle, ces minéraux peuvent causer des ravages lorsqu'ils sont répandus sous forme d'engrais en grande quantité sur les terres agricoles. Or, les plantes ne sont pas capables d'absorber tous ces engrais. L'excédent est lessivé par les eaux de pluie qui les transportent vers les cours d'eau et les lacs. Cela crée une bioaccumulation et à court terme une eutrophisation des cours d'eau.

Les mines abandonnées

Lorsque l'exploitation d'une mine est terminée, certaines compagnies quittent en laissant la mine ouverte. Les scientifiques ont remarqué que ces mines sont une source potentielle de contamination. En effet, l'eau qui tombe dans ces puits réagit avec les minéraux, car il est un excellent solvant. Par infiltration, cette eau se déplace dans des rivières souterraines jusqu'à atteindre une nappe phréatique. Cette accumulation de minéraux amène à long terme une contamination de cette nappe. Résultat, les populations environnantes ne peuvent plus utiliser cette nappe, car elle est impropre à la consommation.

Il faut également considérer que pour la construction des mines et l'exploitation minière, de grandes quantités d'eau sont utilisées. Ces eaux, en contact avec les minéraux, peuvent être impropres à la consommation.

D'autres impacts environnementaux majeurs de l'exploitation ou de la transformation des minéraux peuvent également survenir.

  • Il peut y avoir, à moyen ou à long terme, épuisement des ressources, puisque ces minéraux ne sont pas des ressources renouvelables;
  • De grandes surfaces boisées peuvent être détruites lorsque des mines sont construites, puisque des routes doivent être construites pour accéder aux mines et que des usines sont construites à proximité. De plus, le passage de la machinerie lourde sur le sol compacte le sol;
  • Des gaz à effet de serre (GES) sont émis par l'utilisation de la machinerie dans les mines. De plus, la machinerie lourde génère également de la pollution sonore;
  • La faune devra se déplacer sur d'autres territoires, chassée par les humains exploitant les ressources minières.
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Les exercices
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