Exercices: Les minéraux : définition et propriétés

L'image montre six minéraux courants numérotés. Choisir trois d'entre eux, décrire leur éclat, leur couleur et la forme de leurs cristaux, et essayer de les identifier à l'aide d'un guide des minéraux.

Définir ce qu'est la dureté d'un minéral et expliquer ce que signifie le fait que le talc ait une dureté de 1 et le diamant une dureté de 10 sur l'échelle de Mohs.

Qu'est-ce que la trace d'un minéral et comment l'obtient-on ? Expliquer pourquoi la trace est une propriété plus fiable que la couleur pour identifier un minéral.

Nommer les quatre propriétés habituellement utilisées pour identifier un minéral (dureté, éclat, couleur et trace) et décrire en une phrase en quoi consiste chacune.

Expliquer ce qu'est l'éclat d'un minéral et la différence entre éclat métallique et éclat non métallique, en donnant un exemple de minéral pour chaque type.

Qu'est-ce que l'échelle de Mohs ? Nommer le minéral le plus tendre et le plus dur de l'échelle et expliquer comment elle sert à comparer des duretés.

Expliquer ce que signifie qu'un minéral a une « structure cristalline ordonnée » et donner un exemple de cristal que vous avez pu voir, dans la nature, dans un musée ou au laboratoire.

Déterminer en justifiant si ces matériaux sont des minéraux, en appliquant la définition : un morceau d'ambre contenant un insecte, un cristal de quartz ramassé en montagne, une perle et le sel gemme d'une mine.

Classer du plus tendre au plus dur ces minéraux de l'échelle de Mohs : quartz (7), gypse (2), diamant (10) et calcite (3). Puis répondre : un minéral inconnu raye la calcite mais est rayé par le quartz ; entre quelles valeurs se situe sa dureté ?

Vous disposez de votre ongle (dureté approximative 2,5), d'une pièce de cuivre (3) et d'un canif en acier (5,5). Décrire comment vous utiliseriez ces trois objets pour estimer la dureté d'un minéral inconnu, en donnant un exemple concret.

Un échantillon de quartz est blanc et laiteux et un autre est violet (améthyste), mais les deux sont le même minéral. Expliquer comment c'est possible et quelles autres propriétés, en plus de la couleur, confirmeraient que les deux sont du quartz.

Un minéral inconnu raye une pièce de cuivre (dureté 3) mais ne parvient pas à rayer un canif en acier (dureté 5,5). Entre quelles valeurs se situe sa dureté ? Justifier s'il pourrait s'agir de gypse (dureté 2) ou de fluorine (dureté 4).

Deux minéraux blancs se ressemblent beaucoup : le gypse (dureté 2) et la calcite (dureté 3). Vous disposez seulement de votre ongle (dureté 2,5) et d'une pièce de cuivre (dureté 3). Décrire un test pour les distinguer et le résultat attendu pour chacun.

Décrire comment on obtient la trace d'un minéral avec une plaque de porcelaine non émaillée et expliquer ce qui se passe si le minéral est plus dur que la plaque : laissera-t-il une trace ? Quelle conclusion en tirez-vous dans ce cas ?

Le mica se délite en fines lamelles et la calcite se casse en blocs de formes régulières. Expliquer ce que nous apprennent ces cassures si ordonnées sur la structure interne de ces minéraux.

Dans cette liste — talc (1), gypse (2), calcite (3), quartz (7) et diamant (10) — indiquer quels minéraux vous pouvez rayer avec l'ongle (dureté 2,5) et lesquels rayent le verre d'une fenêtre (dureté 5,5), en expliquant comment vous l'avez déduit.

Un échantillon a un éclat métallique, une couleur dorée, une trace noir verdâtre et raye le verre. Un camarade affirme que c'est de l'or. Utiliser les propriétés citées pour argumenter qu'il s'agit de pyrite, « l'or des fous », et indiquer deux autres propriétés que vous vérifieriez pour le confirmer.

Vous avez sur la table deux paires de minéraux que l'on confond facilement : une paire d'aspect doré et d'éclat métallique (pyrite et or) et une autre d'aspect blanchâtre et d'éclat vitreux (quartz et calcite).

1. a) Expliquer pourquoi la couleur et l'éclat ne sont pas des propriétés suffisantes pour distinguer les minéraux dans aucune des deux paires.
2. b) Concevoir une stratégie d'identification en indiquant quel test spécifique (trace ou dureté) vous appliqueriez à chaque paire pour les différencier sans erreur, et prévoir le résultat exact que vous obtiendriez dans chaque cas.

Le graphite et le diamant sont formés exclusivement d'atomes de carbone pur, mais ils présentent des propriétés radicalement opposées : le graphite s'use quand on le frotte sur du papier et a une dureté de 1, alors que le diamant a une dureté de 10 et raye tout autre minéral.

1. a) Expliquer, en reliant la disposition de leurs atomes et le type de liaison entre eux, pourquoi le graphite est si tendre et se clive en feuillets alors que le diamant est extrêmement dur.
2. b) À partir de cet exemple, réfuter par des arguments scientifiques l'affirmation suivante : « Deux échantillons minéraux qui possèdent exactement la même composition chimique auront toujours la même dureté et les mêmes propriétés physiques ».

On vous remet au laboratoire trois minéraux inconnus (A, B et C) et vous disposez du matériel suivant : loupe, plaque de porcelaine blanche, votre ongle (dureté 2,5), une pièce de cuivre (dureté 3,0) et un canif en acier (dureté 5,5).

1. a) Concevoir le protocole expérimental en ordonnant les tests du moins au plus agressif physiquement pour les échantillons, et justifier pourquoi il est indispensable de suivre cet ordre.
2. b) Après avoir appliqué votre protocole, vous obtenez ces résultats :

• Échantillon A : éclat vitreux ; trace blanche ; l'ongle ne le raye pas, mais la pièce de cuivre, si.

• Échantillon B : éclat métallique ; trace noir verdâtre ; il raye le canif en acier.

• Échantillon C : éclat soyeux ; il se raye facilement avec l'ongle.

Déterminer l'intervalle de dureté de chaque échantillon sur l'échelle de Mohs et déduire, en justifiant votre réponse, lequel correspond à la calcite, lequel au gypse et lequel à la pyrite.

Au laboratoire du collège, les étiquettes de quatre échantillons minéraux ont été effacées : magnétite, calcite, soufre et halite. Pour les identifier, vous devez recourir à leurs propriétés particulières.

1. a) Concevoir un test simple et non destructif pour identifier avec certitude la magnétite et un autre pour le soufre, en décrivant le phénomène que vous observerez dans chaque cas.
2. b) Un élève propose d'identifier l'halite en goûtant avec la langue et la calcite en versant un flacon d'acide chlorhydrique concentré dessus. Justifier de façon critique pourquoi ces deux propositions sont incorrectes dans un laboratoire et proposer une alternative plus sûre pour vérifier chacune.

L'obsidienne (verre volcanique naturel) et le cristal de quartz sont des solides inorganiques d'origine naturelle formés principalement de dioxyde de silicium. Pourtant, en géologie, le quartz est classé comme minéral et l'obsidienne non.

1. a) Justifier pourquoi l'obsidienne ne répond pas à la définition scientifique d'un minéral bien qu'elle soit un produit naturel, inorganique et solide.
2. b) Si vous frappez les deux échantillons avec un marteau de géologue, prévoir comment chacun se cassera (type de cassure ou de fracture) et expliquer le lien entre leur comportement mécanique et leur structure atomique interne (ordonnée ou désordonnée).

Un marchand de pierres précieuses soupçonne qu'un lot de « rubis » contient de fausses pièces fabriquées avec du quartz teinté en rouge ou du verre rouge. Sachant que le rubis est une variété du minéral corindon (dureté 9 sur l'échelle de Mohs) et que le quartz a une dureté de 7 :

1. a) Proposer une méthode physique fondée sur la dureté qui permette de distinguer un vrai rubis d'une imitation en quartz ou en verre sans détruire la gemme. Justifier votre proposition.
2. b) Le corindon ordinaire n'est pas utilisé en joaillerie, mais dans l'industrie comme abrasif pour polir et couper d'autres matériaux. Justifier quelle propriété physique le rubis de joaillerie et le corindon industriel ont en commun, ce qui explique leur grande utilité dans deux domaines si différents.

Un vendeur ambulant propose un « diamant » à très bon prix, mais la pierre est rayée par un canif en acier (dureté 5,5). Démontrer, en raisonnant avec l'échelle de Mohs, que la pierre ne peut pas être un diamant, et expliquer quel autre test vous pourriez faire pour le confirmer.