Cristallochimie des minéraux

La cristallochimie explique comment la taille atomique et ionique, la charge, la coordination et le type de liaison déterminent les structures adoptées par les minéraux et comment leurs compositions varient par substitution.

Definition

L'étude des principes chimiques, notamment la liaison, la taille ionique, l'équilibre des charges et la coordination, qui régissent la structure atomique et la variabilité compositionnelle des minéraux.

Scope

Ce sujet aborde les liaisons ioniques et covalentes dans les minéraux, les rayons ioniques effectifs, le nombre de coordination et les polyèdres, les règles de Pauling, le principe du rapport des rayons, et la chimie des solutions solides, y compris les mécanismes de substitution, de couplage et d'omission. Il établit un lien entre la composition, la structure et les propriétés physiques et optiques qui en résultent.

Core questions

• Comment le rapport du rayon cation/anion détermine-t-il le nombre de coordination ?
• Quelles sont les règles de Pauling et comment prédisent-elles les structures ioniques stables ?
• Comment les solutions solides de substitution et de couplage élargissent-elles la gamme compositionnelle d'un minéral ?
• Pourquoi les rayons ioniques effectifs dépendent-ils de la coordination et de l'état d'oxydation ?

Key theories

Règles de Pauling

Un ensemble de principes reliant la géométrie du polyèdre de coordination au rapport des rayons, exigeant une neutralité électrostatique locale, limitant les arêtes et les faces polyédriques partagées, et minimisant le nombre d'environnements cationiques distincts, qui, ensemble, rationalisent les structures minérales ioniques.

Rayons ioniques effectifs et substitution

Les rayons ioniques tabulés, qui varient avec la coordination et la valence, permettent de prédire si des ions peuvent se substituer les uns aux autres dans un site structural, régissant ainsi l'étendue de la solution solide dans les séries minérales.

Clinical relevance

Les principes cristallochimiques expliquent la zonation compositionnelle, la géothermobarométrie, l'incorporation d'éléments traces et de contaminants, ainsi que la conception de matériaux fonctionnels synthétiques, et ils sous-tendent l'interprétation de la chimie minérale à partir de la microanalyse.

History

V. M. Goldschmidt a établi le rôle géochimique de la taille et de la charge ioniques dans les années 1920 ; Pauling a formalisé les règles des structures cristallines ioniques en 1929 ; la compilation de Shannon de 1976 sur les rayons ioniques effectifs est devenue la référence standard pour la prédiction de la substitution dans les minéraux.

Key figures

• Linus Pauling
• Victor Goldschmidt
• Robert D. Shannon

Seminal works

• pauling1929
• shannon1976
• klein2007

Frequently asked questions

Qu'est-ce qu'une solution solide dans les minéraux ?

Il s'agit de la substitution continue ou partielle d'un ion par un autre de taille et de charge similaires au sein d'une même structure minérale, comme dans la série de l'olivine, de la forstérite à la fayalite.

Qu'est-ce que la substitution couplée ?

Il s'agit d'une substitution simultanée sur deux sites pour préserver l'équilibre global des charges, comme l'échange NaSi pour CaAl dans la série des feldspaths plagioclases.