Détermination de la dureté d’un minéral

Mohs Hardness Set

La dureté minérale est définie comme la capacité relative d’un minéral à résister aux rayures ou à l’abrasion. La première tentative de quantifier la dureté d’un minéral pour laquelle il existe un enregistrement a été faite en 1812 par Friedrich Mohs, un géologue et minéralogiste allemand. Il a choisi 10 minéraux relativement communs dont la dureté variait du minéral le plus mou connu, le talc, au plus dur, le diamant. L’échelle de Mohs est utilisée par les minéralogistes amateurs et professionnels, les géologues et les collectionneurs. L’échelle de Mohs et son application pour tester les propriétés des minéraux est le sujet de cet article.
Les métallurgistes utilisent une dureté de pénétration (Vickers, Knoop, etc.) qui est obtenue en pressant une pointe de diamant dans une surface plane sous une charge connue et en mesurant la zone d’indentation. Les articles professionnels en minéralogie font souvent état de la dureté Vickers appliquée aux minéraux, auquel cas elle est considérée comme la dureté de déformation du cristal.
Mohs a inventé une échelle ordinale, de un à dix, chaque chiffre étant défini par la dureté d’une espèce minérale spécifique. Bien qu’il s’agisse de bonnes approximations, les différences absolues de dureté entre les valeurs ordinales ne sont pas égales. Par rapport à l’échelle de Knoop, chaque minéral d’indice successif est 1,2 à 2,7 fois plus dur que le précédent. La seule exception majeure concerne la dureté du corindon et du diamant. Le diamant est presque cinq fois plus dur que le corindon.

L’échelle de Mohs étant une échelle ordinale, il n’y a pas de valeurs intermédiaires. Cela dit, vous verrez souvent des valeurs comme 3½, ou 5½. Ces désignations ne signifient pas que la dureté est à mi-chemin entre 3 et 4 ou 5 et 6. Au contraire, le collectionneur ou le minéralogiste dit que la dureté est supérieure à 3 mais inférieure à 4 ; ou de la même façon, supérieure à 5 mais inférieure à 6. Vous ne devriez pas essayer d’énoncer une mesure plus fine, car elle n’a aucun sens. C’est un point délicat, mais une dureté comprise entre 8 et 9 doit être écrite comme 8½ et non comme 8,5. La fraction décimale implique une gamme continue plutôt que les valeurs ordinales discrètes.

Outils dont vous aurez besoin

Un ensemble de dureté de minéraux d’indice peut être acheté, mais la plupart sont si communs que vous pouvez construire votre propre ensemble. Idéalement, chaque pièce devrait avoir une taille d’environ 2 x 2 x 3 cm. Les faces de clivage sont idéales pour gratter, les coins sont bons pour produire des rayures ; les blocs de clivage sont donc excellents quand ils sont possibles. Lorsqu’ils ne le sont pas, choisissez un cristal. Seuls les neuf premiers minéraux de l’indice sont nécessaires car vous savez qu’un diamant rayera tous les autres minéraux. Une petite boîte divisée en neuf compartiments permet un rangement utile.
Il est possible d’acheter un ensemble de supports en forme de crayon à bouts pointus, chacun portant un des minéraux de Mohs. Ils sont excellents pour tester le grattage d’un inconnu mais, comme nous le verrons plus loin, il faut aussi découvrir si le minéral inconnu peut gratter le minéral index. Cela n’est pas possible avec certains jeux de points. L’ensemble de points de dureté et de surfaces de test de MineralLabs permet le protocole complet. Les supports des pointes sont des supports en acier de type crayon et une pierre à aiguiser en carborundum est fournie pour réaffûter les pointes si nécessaire. Aucune des pointes n’est minérale. Le gypse est remplacé par un plastique de même dureté. La calcite par du cuivre. Les pointes 4 à 9 sont toutes des alliages d’acier dont la dureté correspond à celle des minéraux qu’elles remplacent. Les points sont utiles, particulièrement avec les petits spécimens.
Pour des approximations proches, un couteau de poche (H=5 à 5½), une longueur de fil de cuivre (H=3), un éclat de quartz (H=7), un petit morceau de tôle de cuivre (H=3), un carré si verre de fenêtre (H=6½), et une rondelle d’aile en acier brillant (H=5) feront l’affaire. Une autre que vous avez toujours avec vous est votre ongle (H=2 à 2½). Leur utilisation avant celle du jeu de pointes ou de dureté permet d’éviter l’usure de ce dernier. L’inconvénient est qu’en affinant votre estimation, se tourner vers un jeu de dureté nécessite de faire une seconde rayure.

Faire &Observer une rayure

Lorsque vous choisissez un endroit pour faire une rayure sur votre spécimen précieux récemment acquis, choisissez une surface assez lisse mais discrète, de préférence sur le dos ou le fond de la pièce. Vous ne voulez pas entacher une belle face de cristal d’une vilaine cicatrice.
Si vous n’avez aucune idée de ce que pourrait être la dureté, commencez au milieu… essayez 5. C’est là qu’un couteau de poche, une petite longueur de fil de cuivre, etc, sont pratiques. Ils vous permettent de trouver la valeur approximative sans éroder vos meilleurs outils.

En faisant la rayure, dessinez la pointe sur seulement 3 mm environ. Et utilisez une loupe. Une rayure de 3 mm est tout aussi facile à voir qu’une rayure de 3 cm. Au début, utilisez une légère pression, mais si cela ne produit aucun effet, augmentez jusqu’à une pression ferme. Une fois la « rayure » faite, essuyez-la avec votre doigt ou un coton-tige pour vous assurer qu’il s’agit bien d’une rayure qui incise la surface, et non d’une simple trace calcaire sur celle-ci. Si possible, tracez votre ongle sur la rayure pour découvrir s’il s’agit d’une rayure incisée ou simplement d’une marque résiduelle.
Lorsque vous utilisez des stylets (pointes), tenez le stylet à un angle d’environ 45o à 60o par rapport à la surface du minéral et tirez-le vers vous.
Si une pointe sur l’apatite (H=5) ne raye pas votre spécimen, essayez le feldspath (H=6). Si le feldspath ne raye pas votre échantillon, essayez le quartz (H=7). Si le quartz produit une rayure, il est alors important d’essayer de rayer le quartz avec un point peu visible de votre spécimen.
Bien que la dureté de la plupart des minéraux soit très proche de la même dans toutes les directions, de petites différences existent. Ainsi, si votre spécimen le permet, sans le défigurer, essayez des rayures dans différentes directions (dans le sens de la longueur du cristal et dans le sens transversal). Le minéral le plus connu pour sa dureté différentielle est le disthène. Sa dureté parallèle à la longueur du cristal est de 5½ alors que perpendiculairement à la longueur, la dureté est de 7. Avec les diamants, la surface octaédrique est la plus dure et sans différences de dureté directionnelle, un diamant ne pourrait pas être taillé.

Interprétation des résultats

Disons que votre spécimen minéral inconnu n’a pas été rayé par le feldspath (H=6), a été rayé par le quartz (H=7) et a lui-même rayé le quartz. Alors l’inconnu doit avoir une dureté égale à celle du quartz ; ou H=7.
Si votre spécimen inconnu n’a pas été rayé par le feldspath (H=6), a été rayé par le quartz (H=7), et n’a pas lui-même rayé le quartz. Alors sa dureté doit être inférieure au quartz mais supérieure au feldspath ( 6 < H < 7). Cette valeur est souvent exprimée par 6½, ce qui signifie « entre » 6 et 7.
Si l’indice raye l’inconnu, l’inconnu raye-t-il l’indice ? Il est important de tester le grattage dans les deux sens. C’est la seule façon de déterminer si la dureté de l’inconnu est égale ou inférieure à celle du minéral de l’indice qui a la plus grande dureté.

Contexte théorique

La dureté est une fonction de la force de liaison entre les atomes et/ou les ions. Alors que la force de liaison entre les atomes d’une molécule (par exemple, entre l’hydrogène et l’oxygène dans l’eau) est essentiellement constante, la force de liaison entre les ions (par exemple, Fe2+ et (CO3)2-) varie en fonction de la charge électrostatique des ions, de la distance entre eux et de la configuration de l’emballage. Comme la distance entre les plans des ions est différente dans les différentes directions, la force de liaison l’est aussi. Le plan présentant une dureté maximale est celui dont la densité de points est la plus élevée. C’est-à-dire le plan qui contient le plus grand nombre d’ions dans la plus petite surface. Pour les diamants, la plus grande densité de points et le plan avec la dureté maximale est le plan octaédrique.
En général, les ions plus petits produisent des minéraux plus durs. Les cations (ions métalliques chargés positivement) des minéraux carbonatés que sont la calcite Ca2+, la magnésite Mg2+, la sidérite Fe2+ et la rhodochrocite Mn2+ ont tous le même motif d’emballage, ou structure cristalline, et la même charge électrostatique. Ils ont pratiquement la même taille, à l’exception de l’ion calcium, qui est nettement plus grand. La calcite a une dureté de 3 tandis que la magnésite, la sidérite et la rhodochrosite ont une dureté de 4.
Le carbonate, la calcite, et le nitrate, la nitratine, ont le même modèle d’emballage (structure cristalline) et des ions de taille à peu près identique. Cependant, la charge des ions calcium et carbonate de la calcite est deux fois plus importante que celle des ions sodium et nitrate de la nitratine. L’attraction électrostatique entre les ions calcium et carbonate de la calcite est donc plus forte que l’attraction entre les ions sodium et nitrate de la nitratine. La dureté de la calcite, comme nous l’avons vu, est de 3. La dureté de la nitratine est de 1½ à 2.
Un emballage plus serré des ions dans la structure cristalline produit une plus grande dureté. L’aragonite et la calcite sont toutes deux du carbonate de calcium, CaCO3. La calcite cristallise dans le système cristallin trigonal, l’aragonite dans le système orthorhombique ; et, les ions sont plus serrés pour l’aragonite que pour la calcite . La dureté de la calcite, comme vous le savez, est de 3. Celle de l’aragonite est de 3½ ou 4.
Les minéraux ayant des liaisons covalentes entre atomes sont généralement plus durs que ceux ayant des liaisons ioniques. Le diamant a des liaisons covalentes entre les atomes de carbone. Le cuivre natif a des liaisons ioniques entre les ions de cuivre. Tous deux cristallisent dans le système isométrique (cubique). Bien que l’ion cuivre soit considérablement plus grand que l’atome de carbone, la force de la liaison covalente entre les atomes de carbone est énormément plus grande que celle des liaisons électrostatiques entre les ions cuivre.
Liens vers la série « Déterminer … » Série : Comment faire
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Détermination de la couleur et des stries
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Détermination de la fracture et du clivage dans les minéraux

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Attribution

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