Soutenance mémoire
LE TALC NATUREL
Sa place dans le monde minéral
Les silicates
Le monde minéral se compose de plus de 5000 espèces qui sont répertoriées sur Terre (Hazen & Ausubel, 2016). Cette diversité minéralogique impose l’existence d’un système de classification qui vise à regrouper ces minéraux sous différentes catégories en fonction de leur chimie et de leur structure cristalline. Les premières classifications, apparues au 18ème siècle, se basaient uniquement sur l’aspect extérieur des minéraux, à savoir leur couleur et leur forme (classification de Werner, classification de Haüy). Au 19ème siècle, le chimiste Jöns Jacob Berzelius (1779 1848) entreprit une nouvelle classification en se basant cette fois-ci non pas sur des critères visuels, mais sur une composition chimique bien précise. Pour cela, il inventa tout d’abord des symboles pour les différents éléments chimiques (H pour l’hydrogène, Si pour le silicium, etc…), il les regroupa sous différentes formules structurales (SiO2 par exemple), et créa ainsi plusieurs classes minérales en fonction de la chimie des minéraux (les oxydes, les sulfures, les silicates, les carbonates…). En 1854, James Dwight Dana (1813- 1895) adopta cette classification et l’améliora en intégrant comme nouveau critère la structure cristalline, c’est-à-dire l’arrangement des atomes dans le réseau minéral. La classification qu’il publia en 1854 dans sa 4ème édition de System of Mineralogy (Dana, 1854) se rapproche alors fortement de la classification qui est utilisée actuellement, et qui fut élaborée quelques années plus tard par Karl Hugo Strunz (1910- 2006). Ainsi, en 1941, ce dernier publia dix grandes classes permettant de classer les minéraux, telles qu’elles sont acceptées aujourd’hui par l’Association Internationale de Minéralogie (Strunz & Nickel, 1941) (Figure 1). En voici la description :
● Les éléments natifs qui incluent principalement les métaux et les alliages (Au, Ag, Cu, Pt, Pd…).
● Les sulfures et sulfosels qui correspondent à des alliages de soufre et de métaux (ex : la pyrite FeS2, la galène PbS)
● Les halogénures qui contiennent des éléments chimiques de la classe des halogènes (ex : la halite NaCl, la fluorite CaF2)
● Les oxydes et hydroxydes comme par exemple l’oxyde de Fe « hématite » (Fe2O3) ou l’oxy-hydroxyde de Fe « goethite » (FeO(OH))
● Les carbonates et nitrates qui comprennent tous une unité de base anionique [CO3] 2- pour les carbonates ou [NO3]- pour les nitrates, rattachés à différents cations (ex : la calcite CaCO3 ; la nitronatrite NaNO3)
● Les borates qui sont tous à base de bore (ex : le borax Na2B4O7. 10H2O)
● Les sulfates et dérivés (tungstates, chromates, molybdates, sélénates et tellurates) qui incluent principalement des unités anioniques de type [SO4]2- équilibrées par différents cations (ex : le gypse CaSO4, 2H2O)
● Les phosphates et dérivés (arséniates, vanadates) qui incluent principalement des unités anioniques de type [PO4]3- équilibrées par des cations (ex : l’apatite Ca5(PO4)3 (OH, Cl, F)
● Les silicates qui constituent la plus vaste classe minérale et qui se composent de tétraèdres de silicium différemment agencés dans l’espace définissant six sous-classes (ex : le quartz SiO2, un tectosilicate, le talc Si4Mg3O10(OH)2, un phyllosilicate)
● Les composés organiques issus de processus de biominéralisation comme la nacre secrétée par différents mollusques (mélange d’aragonite et de conchyoline), ou bien encore l’ivoire présent dans les défenses d’animaux (mélange d’hydroxyapatite carbonatées et de fibres de collagène) .
Les phyllosilicates
Les silicates constituent la plus grande famille de minéraux sur Terre. La croûte terrestre et le manteau qui composent notre planète sont constitués presque exclusivement de ces minéraux. Leur abondance naturelle a mené les scientifiques à établir une classification spécifique en se basant sur l’unité de base commune à chacun, le tétraèdre de silicium. Un tétraèdre de Si se définit comme étant une pyramide à base triangulaire dont le cœur est composé d’un atome de silicium et les quatre sommets d’atomes d’oxygènes. Il s’agit donc de groupements (SiO4) 4- où chaque liaison Si-O mesure environ 1.62 Å. Dans le réseau cristallin des silicates, ces tétraèdres s’agencent de différentes manières entre eux ce qui mène à la définition de six sous-classes : les nésosilicates (tétraèdres isolés), les sorosilicates (assemblés deux à deux), les cyclosilicates (en anneaux), les inosilicates (en chaines), les phyllosilicates (en feuillets) et les tectosilicates (en réseau tridimensionnel) .
Dans cette classification, le talc fait partie de la catégorie des phyllosilicates c’est-à dire que les tétraèdres de silicium s’agencent sous la forme d’une couche bidimensionnelle appelée « couche tétraédrique », qui donne au minéral sa forme lamellaire. Plus largement, tous les minéraux qui possèdent une forme en feuillet comme les argiles ou les micas appartiennent à la famille des phyllosilicates.
Cette couche tétraédrique ne reste néanmoins pas seule puisqu’elle s’associe obligatoirement avec une couche octaédrique de Mg, d’Al, ou de Fe pour former un ensemble appelé feuillet élémentaire. Ces feuillets élémentaires se superposent les uns sur les autres pour former une particule, et sont séparés les uns des autres par un espace appelé espace interfoliaire. Plusieurs particules qui s’associent entre elles forment des agrégats, plusieurs agrégats forment des agglomérats, puis plusieurs agglomérats forment un minéral .
Les phyllosilicates TOT
L’ultime étape pour replacer pleinement le talc dans la diversité du monde minéral est de regarder à l’échelle locale la composition chimique exacte du feuillet élémentaire TOT et de l’espace interfoliaire (c’est-à-dire l’espace entre deux feuillets adjacents). Ces deux paramètres sont en effet primordiaux pour différencier les nombreuses espèces constituant cette famille.
Groupe Talc/Pyrophyllite
Le premier groupe ‘Talc/Pyrophyllite’ correspond au groupe le plus simple des phyllosilicates TOT . Ici, les couches tétraédriques contiennent du Si et les couches octaédriques du Mg (pour le talc ; configuration trioctaédrique) ou de l’Al (pour la pyrophyllite ; configuration dioctaédrique). Les feuillets élémentaires ainsi formés sont électriquement neutres puisque toutes les charges positives apportées par les cations Si4+, Mg3+ ou Al3+ et H+ sont compensées par les charges négatives des anions O2-. Cet équilibre électrostatique implique que le talc et la pyrophyllite sont parfaitement stables et qu’ils n’interagissent pas ou très peu avec des composés chargés. Ils sont donc très peu réactifs et l’espace interfoliaire dans lequel viennent généralement se loger les ions dits de « compensateurs de charge » est par conséquent vide.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
Références
CHAPITRE 1 : Panorama sur le talc naturel et synthétique
I. Le talc naturel
II. Le talc synthétique
III. Les hybrides à base de talc naturel et de talc synthétique
IV. Conclusions
V. Références
CHAPITRE 2 : Méthodes de caractérisation du talc synthétique et de ses hybrides
I. La Diffraction des Rayons X
II. Analyse granulométrique
III. Les microscopies
IV. La Spectroscopie Proche-Infrarouge
V. La Spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire du solide
VI. La Spectroscopie d’Absorption X
VII. Conclusions
VIII. Références
CHAPITRE 3 : Les matériaux hybrides ‘organiques – inorganiques’ : préparation de particules de talc synthétique colorées et/ou fluorescentes
I. Elaboration de nouveaux matériaux hybrides ‘organiques – inorganiques’ à base de talc synthétique
II. Résultats des tests d’adsorption
III. Caractérisation des hybrides et recherche des mécanismes d’adsorption
IV. Expériences en conditions supercritiques
V. Conclusions
VI. Références
CHAPITRE 4 : Les matériaux hybrides ‘inorganiques – inorganiques’ : préparation de particules de talc synthétique fonctionnalisées avec des nanoparticules métalliques
I. Elaboration de nouveaux matériaux hybrides ‘inorganiques – inorganiques’ à base de talc synthétique
II. Le protocole de mélange mécanique : aperçu d’une série de plus en plus concentrée en AuNPs
III. Le protocole de co-synthèse hydrothermale : aperçu d’une série de plus en plus concentrée en AuNPs
IV. Expériences en conditions supercritiques
V. Conclusions générales et redirection du sujet d’étude
VI. Références
CHAPITRE 5 : Etude cristallochimique du talc synthétique par spectroscopie RMN du solide
I. Prémisses d’une réévaluation globale des spectres RMN 1H et 29Si du talc synthétique
II. Article soumis au Journal of Physical Chemistry
III. Analyses complémentaires
IV. Conclusions
V. Références
CHAPITRE 6 : Cristallochimie du talc synthétique par spectroscopie XAS aux seuils K du Mg et du Si
I. Stratégie employée et objectifs attendus
II. Expériences au seuil K du Mg
III. Expériences au seuil K du Si
IV. Conclusions
V. Références
CHAPITRE 7 : DISCUSSION ET PERSPECTIVES
I. Le talc synthétique non fonctionnalisé
II. Les matériaux hybrides élaborés par mélange mécanique
III. Les matériaux hybrides élaborés par ajout d’adsorbats métalliques avant l’étape de synthèse hydrothermale (protocole CO-SYN)
IV. Le talc synthétique supercritique
V. Conclusions générales
VI. Références
Références
CONCLUSION GENERALE
