Argile et minéraux argileux: propriétés physico-chimiques et propriétés et propriétés colloà¯des

II. Les minéraux argileux

Selon J. Mering (1963) le caractère argileux d'un minéral repose sur quatre caractéristiques : - la petite dimension des particules de minéraux, inférieure à 2 um ;

- la dissymétrie des particules de forme généralement lamellaire ce qui rend compte de propriétés mécaniques comme la plasticité et de propriétés physico-chimiques comme la rétention de molécules d'eau ;

- la possibilité, pour ces particules, de pouvoir donner des suspensions aqueuses plus ou moins stables ;

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- leur composition chimique ; ce sont des silicates ;

Ces caractéristiques sont celles des phyllosilicates qui se définissent ainsi : « Les minéraux argileux appartiennent à la famille des phyllosilicates et sont constitués par une couche tétraédrique bidimensionnelle de composition _T2O5, T pouvant être Si⁴⁺, Al³⁺ ou Fe³⁺. Ces tétraèdres sont liés dans un même plan par trois de leurs sommets, le quatrième étant orienté dans une autre direction. Les couches tétraédriques sont liées dans la structure à des couches octaédriques ou à des groupes de cations coordonnés ou indépendants » [1].

II.1. Edifices phylliteux

II.1.1. Structure des feuillets

Les minéraux argileux sont des aluminosilicates présentant une structure en feuillets, d'où leur appellation de phyllosilicates (terme formé d'un morphème "phullon" issu du grec signifiant: qui a l'aspect de feuille). Ces feuillets sont bidimensionnels et constitués de deux types de couches [3] :

? La couche tétraédrique (figure I-3) est formée de silice tétraédrique, c'est-à-dire d'un cation Si⁴⁺ entouré de quatre anions O^2-, qui constituent les sommets du tétraèdre. Chaque tétraèdre partage trois atomes d'oxygène avec les tétraèdres adjacents. Ces atomes d'oxygène partagés sont arrangés en réseau hexagonal qui forme la base de la couche. Le bilan des charges positives et négatives présentes dans cette structure n'est pas neutre. En effet, chaque tétraèdre est formé d'un cation Si⁴⁺ et de trois anions O^2- qui forment la base du feuillet et qui appartiennent aussi à un tétraèdre adjacent, et d'un quatrième anion O^2- qui lui n'est pas partagé. Le bilan des charges est alors : 4 + 3× (-2)/2 + (-2) = -1.

L'électroneutralité de la couche est obtenue par la liaison avec une couche chargée positivement, par la présence d'ions compensateurs à la surface de la couche, ou par ajout d'un proton H⁺ sur certains O^2-. L'épaisseur de cette couche tétraédrique est de 4,63 Å.

? La couche octaédrique (figure I-3) est formée de cations Al³⁺ ou Mg²⁺ entourés de six groupements hydroxyle OH^-. Ces octaèdres sont reliés entre eux par des anions communs, et forment une couche plane. Le bilan des charges présentes dans le feuillet est de +3 pour le cation Al³⁺ et -1 pour le groupement hydroxyle, mais chaque OH^- est partagé avec trois cations, ce qui donne : +3 + 6× (-1)/3 = +1. Pour atteindre l'électroneutralité, seulement deux sites ocatédriques sur trois sont occupés par un cation Al³⁺ ; on parle alors de couche di-octaédrique de gibbsite. Dans le cas du cation Mg²⁺, lorsque tous les sites sont occupés, la

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couche est neutre ; c'est la structure tri-octaédrique de brucite. La couche octaédrique a une épaisseur de 5,05 Å.

Figure I-3 : Représentation des tétraèdres et des octaèdres [4].

Ces couches tétraédriques ou octaédriques sont donc formées par la superposition de plans d'oxygènes délimitant des cavités de forme tétraédrique ou octaédrique. La stabilité du feuillet est assurée par la présence de cations à l'intérieur de ces cavités. Dans la couche tétraédrique, le cation dominant est Si⁴⁺ mais de fréquentes substitutions ont lieu avec Al³⁺ et, plus rarement, avec Fe³⁺. Les sites octaédriques, quant à eux, sont généralement occupés par les cations Al³⁺, éventuellement substitué par Fe²⁺ et surtout Mg²⁺, pour les couches de type dioctaédrique et Mg²⁺ pour les couches trioctaédriques [4].

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Figure I-4 : Représentation schématique des deux types de couches octaédriques : (a) = trioctaédrique ; (b) = dioctaédrique [5].

Des couches tétraédriques (T) et des couches octaédriques (O) forment des feuillets, séparés les uns des autres par des espaces interfoliaires pouvant contenir des molécules d'eau et des ions (figures I-5). L'ensemble d'un feuillet et d'un espace interfoliaire est une unité structurale. Ces unités s'agencent alors entre elles pour former des particules argileuses. La liaison entre une couche tétraédrique et une couche octaédrique se fait par l'intermédiaire du quatrième oxygène de la silice tétraédrique, qui appartient aussi à un octaèdre du feuillet octaédrique [3].

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Figure I-5 : Assemblages de couches tétraédriques et octaédriques : le feuillet argileux [6]

Les espaces qui se trouvent entre les feuillets (i.e. espaces interfoliaires) peuvent être vides ou remplis. Ils sont vides lorsque les différents feuillets sont neutres, ou ils sont occupés par des cations dès que l'empilement présente un déficit de charge [2]. Les cations les plus fréquents sont le calcium (Ca^2+), le magnésium (Mg²⁺), le potassium (K⁺), le sodium (Na⁺) et le lithium (Li⁺).

L'ensemble, composé du feuillet élémentaire et de l'espace interfoliaire, représente l'unité structurale dont l'épaisseur constitue une caractéristique fondamentale du minéral argileux et est appelée distance interfoliaire ou distance basale et est notée d001.

La valeur de cette distance basale peut être déterminée à partir de la position angulaire de la réflexion basale correspondant au plan réticulaire (001), résolue par la diffraction des rayons X, et ce en utilisant la loi de Bragg [7]:

X = 2 d001 sin(O)

Avec :

- O: angle entre le faisceau incident et le réseau de plans (angle de diffraction)

- D : Espacement entre 2 plans parallèles successifs du réseau cristallin

- X : Longueur d'onde du faisceau des rayons X

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Figure I-6 : Allures typiques des particules de minéraux argileux [7]