Qu'est ce qu'une argile?

    Une argile est une roche sédimentaire formée par l'accumulation de débris rocheux sous l'action de l'érosion. Les roches argileuses sont constituées de fines particules minérales ne dépassant pas une taille de 2 micromètres. Douce au toucher lorsqu'elle est sèche et malléable lorsqu'elle est humide, l'Homme a su dès l'antiquité tirer profit de ses propriétés pour s'en servir dans sa vie de tous les jours. Employée en ce temps dans la fabrication de divers objets (récipients, statuettes...), son utilisation aujourd'hui s'est étendue à de nombreux domaines notamment en médecine où ses vertus sont riches et variées.          

Un peu de géologie.

   L'argile appartient à la famille des roches silicatés. Les silicates forment le groupe de minéraux le plus abondant dans la nature. Ils représentent 40% des minéraux communs.

Structure des silicates.

   La structure fondamentale des silicates est formée d'un cation silicium Si⁴⁺ entouré par 4 anions oxygènes O^2-. Cette ensemble constitue un tétraèdre, pyramide avec une base triangulaire, de formule [SiO₄]^4- (figure 1). Les liaisons reliant les ions SI⁴⁺ et O^2- sont très solides, assurant la cohésion de la croute terrestre constituée à 90% de ce minéral. Ces tétraèdres ont la possibilité de se lier les uns avec les autres et ainsi donner différentes structures, on parle de polymérisation. C'est cette polymérisation qui est à l'origine de la grande variété des roches silicatés (figure2).

Figure 1: structure tétraédrique d'un silicate (SiO₄)^4- (source: pubpages.unh.edu)

Figure 2: classification des silicates en fonction du degrés de polymérisation (source: geowiki.fr) 

Structure des argiles.

   Les argiles sont dans la catégorie des phyllosilicates. On peut se les représenter comme l'empilement de couches qui donnent à l'ensemble une structure en feuillets. Il existe 2 types de couches:

• Tétraédrique: Les 3 oxygènes formant la base triangulaire de chaque tétraèdre sont partagés les uns aux autres donnant une chaine bidimensionnel de ces polyèdres, soit une couche. Le motif qui se répète a pour formule [Si₂O₅]^2-. Les oxygènes au sommet des pyramides, dit apicaux, sont tous situés à la même hauteur et ne sont pas reliés à ce système. On voit sur la photo ci-dessous que cette couche est organisée en un ensemble d'anneaux connectés (figure 3), avec au centre un groupement OH^- (figure 4). Ce groupement OH^- est comme nous allons le voir, relié à un cation de la couche supérieure.

Figure 3: couche de tétraèdres organisée en anneaux (source: tulane.edu)

Figure 4: Anneau de silicates avec groupement OH^- au centre (source: tulane.edu) 

• Octaédrique: Chez les phyllosilicates, la couche tétraédrique est combinée avec une couche octaédrique (figure 6). Celle-ci est constituée de cations (généralement Al³⁺, Mg²⁺, Fe²⁺) tous entourés de 6 anions oxygènes O^2- dessinant une forme octaédrique (figure 5). Prenons le cas du cation Al³⁺:

• Tous les O^2- sont reliés à 2 cations Al³⁺
• 2 des O^2- de l'octaèdre sont reliés à deux silicium Si⁴⁺. Ce sont les O^2- apicaux
• Les autres O^2- sont reliés à un proton H⁺, dont un qui appartient au groupement OH^-.

Figure 5: Structure octaédrique vue de cotée (source: pubpages.unh.edu)

Figure 6: Couche octaédrique tronquée vue de coté (source: pubpages.unh.edu)

   Prises séparément, les charges de ces deux couches ne sont pas neutres. Les oxygènes apicaux ont toujours une charge négative restante. Mais en rassemblant les 2 couches par l'intermédiaire de ces oxygènes apicaux, les charges négatives vont être neutralisées. La structure est alors électriquement neutre, on obtient un phyllosilicate (figure 7).

Figure 7: feuillet formé par la combinaison de la couche de tétraèdres et d'octaèdres (source: pubpages.unh.edu)

Les différents types de phyllosilicates.

 Tous les phyllosilicates ne possèdent pas la même structure. Le principe général reste le même, un empilement de couches tétraédrique (T) et octaédrique (O) les uns sur les autres formant des feuillets. Mais en fonction du minéral, ces couches peuvent êtres agencés différemment.

• Empilement T-O: C'est le cas décrit précédemment. Un empilement d'une couche octaédrique et tétraédrique. Cet ensemble forme un feuillet. Chaque feuillet de T-O sont séparés par un espace vide, c'est l'espace interfoliaire. Le maintien de la cohésion de la structure se fait grâce aux liaisons de Van der Waals. Ces liaisons de faible intensité relient les feuillets par les oxygènes de la base supérieure des octaèdres aux oxygènes de la base triangulaire des tétraèdres. C'est cet ensemble qui forme le minéral. En fonction du cation de la couche octaèdrique, le minéral obtenu n'est pas le même. Dans le cas Al³⁺ on a une argile, la Kaolinite (figure 8).

Figure 8: Kaolinite à empilement T-O. La couche T est représentée par les triangles (tétraèdres) et la couche O par les rectangles (octaèdres). Les feuillets sont séparés par un espace interfoliaire où passe les liaisons de Van der Waals. (source: image modifiée d'après tulane.edu)

• Empilement T-O-T: La couche octaédrique est entre 2 couches tétraédriques formant un feuillet T-O-T. Chaque feuillets, également séparé par un espace interfoliare, sont  reliés par des liaisons de Van der Waals. Dans ce cas, les interactions entre les éléments de la structure sont légèrement différentes (certain H⁺ ont disparu). Ce genre de structure peut former des argiles de type Talc si le cation est un Mg²⁺ ou des Pyrophyillite si c'est un Al³⁺ (figure 9). Dans certain cas, un silicium (Si⁴⁺) sur 4 peut être remplacé par un cation Mg²⁺ ou Al³⁺. Cette substitution entraine l'excès d'une charge négative dans chaque feuillet. pour rétablir la neutralité, un cation K+ ou Na+ peut être lié entre ces feuillets. On obtient alors par exemple la Muscovite (figure 10). Parfois cette substitution peut être plus importante. Si 2 silicium (S1⁴⁺) sur 4 sont remplacés par des Al³⁺ ont aura cette fois un excès de 2 charges dans chaque feuillet. Dans le cas de cette configuration il faut ajouter un cation à deux charges positives comme Ca²⁺ pour rétablir la neutralité de l'ensemble. Ces exemples de minéraux montrent qu'en fait l'aluminium peut être en quantité aussi importante que le silicium dans les phyllosilicates.

Figure 9: Pyrophyillite à empilement T-O-T. (source: image modifiée d'après tulane.edu)

Figure 10: Muscovite à empilement T-O-T. un silicium sur quatre a été substitué. (source: image modifiée d'après tulane.edu)   

• Empilement T-O-T -O-: entre chaque feuillets de T-O-T, on a une autre couche octaédrique appelée, couche brucitique. La chlorite (figure 11) possède cette structure (mais ce n'est pas une argile).

Figure 11: Chlorite à empilement T-O-T -O. (source: tulane.edu)

Propriétés générales des argiles.

   Les argiles peuvent incorporer dans leur système des molécules d'eau. Cette eau va modifier les dimensions de la structure en provoquant son gonflement. une fois l'argile saturé en eau, elle à la particularité de devenir peu perméable. En effet les minéraux sont si fins et compacts que l'eau arrive difficilement à se glisser entre les pores interstitiels de la roche. Hydratée, elle est en devient très malléable, c'est à dire plastique. Mais l'incorporation d'eau est réversible, elle peut s'évaporer si les conditions de température et de pression le lui permettent.

   Grâce à leurs propriétés, les argiles sont utilisées dans de très nombreux domaines. Par exemple sa plasticité en fait un excellent matériau de construction (ciment). Ses propriétés imperméables sont exploitées dans le domaine environnemental. En effet elle permet d'éviter l'infiltration d'une eau polluée en surface vers une nappe phréatique. Nous allons étudier plus en détail ses propriétés d'absorption avec l'exemple d'une argile, la smectite, dans le domaine médical.

Sources:

• Minéralogie des argiles, S.Caillère, S.Hénin, M.Rautureau, édition masson
• Manual of Mineral Science, C.Klein et B.Dutrow, édition Wiley
• pubpages.unh.edu/~harter/crystal.htm
• tulane.edu/~sanelson/eens211/phyllosilicates.htm
• ethomas.web.wesleyan.edu/ees123/Clays.htm

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