La couleur dans les minéraux

Résumé du document

La couleur est l'un des éléments les plus attractifs d'un minéral, quels ne sont pas les charmes du bleu profond de l'azurite, le rouge orangé de la vanadinite, ou le vert intense de la pyromorphite.
C'est pourquoi, la couleur est souvent considérée comme étant l'un des critères de reconnaissance des minéraux. Or, s'il est vrai que certains minéraux ont une couleur propre, bon nombre d'entre eux n'ont pas de couleur qui leur soit attitrée. Le quartz pour ne citer que celui-ci peut être rencontré sous toute la gamme des couleurs ou presque : incolore, blanc, violet en tant qu'améthyste, bleu rarement, jaune orangé en tant que citrine, rouge hématoïde ou encore noir fumé ou morion.
Mais si l'on cherche à comprendre les causes de la couleur dans un minéral, la fascination provoquée par l'esthétique doit laisser place à une toute autre matière, la physique quantique. En effet, bien que très peu romantique, la couleur prend le plus souvent ses sources dans les interactions entre la lumière (énergie) et les électrons.
On peut distinguer les interactions physiques, pour lesquelles la lumière n'est affectée que d'une manière élastique, c'est à dire que sa direction est perturbée mais pas son intensité ; on peut citer les phénomènes de réfraction, diffusion ou diffraction ; des interactions chimiques où les interactions sont inélastiques, pour lesquelles une partie de l'énergie de la lumière est absorbée. Il s'agit ici principalement de phénomènes d'absorption par des éléments de transition, de centres colorés ou par des transferts de charges dans des groupements de plusieurs atomes.

Extraits

[...] Les cinq orbitales d (selon les axes ou selon les - PAGE 4 - Les Couleurs dans les Minéraux diagonales) ne sont donc plus équivalentes : il y a levée de dégénérescence. Les orbitales dxy, dyz et dxz sont stabilisées car elles pointent entre les ligands. Un électron occupant une de ces orbitales subit une répulsion moindre par les ligands donc l'énergie de ces orbitales est abaissée. Elles sont appelées t2g. Les orbitales dx2-y2 et sont déstabilisées, elles sont dirigées directement vers les ligands. [...]

[...] La présence de carbone en fine dispersion, soit amorphe soit sous la forme de graphite, peut être la cause de nuances de gris au noir pour certains minéraux. Des minéraux comme l'agate, qui est quasi poreuse, sont sensibles aux colorations artificielles. La coloration est obtenue par des bains successifs afin d'obtenir de fins précipités dans les pores de l'agate pour la colorer La réfraction (fig.13) Lorsqu'une onde électromagnétique change de milieu, comme lors de l'entrée de la lumière dans un milieu cristallin, la lumière est déviée en fonction de l'indice de réfringence du milieu et la longueur d'onde du faisceau incident. [...]

[...] La longueur d'onde observée est maximale lorsque l'incidence de la lumière est perpendiculaire pour décroître avec l'incidence, les zones vertes deviennent bleues, les rouges virant à l'orange On notera que dans le cas de l'opale de feu, des inclusions poreuses de Fe3+, colorent la matrice en rouge, et tempèrent ce phénomène d'irisation. Le feldspath labradorite de Madagascar est également irisé par le phénomène de diffraction qui résulte de la superposition microscopique de couches de feldspath calcique et sodique en alternance, anorthite et albite La diffusion (fig.12) L'un des mécanismes les plus simples de physique optique est la diffusion. La diffusion est due à la réflexion aléatoire de la lumière dans de nombreuses directions. [...]

[...] Les ligands, souvent l'ion oxygène peut donner deux électrons pour former une liaison iono-covalente avec le cation métallique. Selon la nature de l'ion, en particulier le nombre d'électrons 3d dont il dispose et de sa coordinence ou nombre de ligands associés, les interactions entre le cation métallique et ses ligands ne sont pas les mêmes. Dans l'atome isolé, les niveaux d'énergie des cinq orbitales 3d sont dégénérés (elles ont toutes la même énergie). Si l'on soumet cet atome à un champ électrique sphérique, les orbitales sont déstabilisées d'une quantité uniformément répartie autour de l'atome. [...]

[...] Ce sont des impuretés et ils n'apparaissent pas dans la formule du minéral. Enfin, n'omettons pas la possibilité qu'il y aie pour un minéral donné, plusieurs ions d'éléments de transition, ou plusieurs déviations des orbitales dispersées dans le minéral, il y a alors plusieurs niveaux d'excitation avec des gaps d'énergies différents et des longueurs d'ondes associées multiples. Dans ce cas, le minéral va absorber toutes les ondes incidentes correspondantes, jusqu'à aller, dans le cas limite d'un grand nombre d'ondes absorbées, à être un minéral sombre et opaque. [...]