QUARTZ
La substance naturelle connue sous le nom de quartz ou cristal de roche, est la plus commune et la plus importante des variétés cristallisées de silice. C’est sous cet état qu’elle se présente à l’état de liberté dans la plupart des roches, surtout des roches anciennes. Les échantillons les plus volumineux viennent des Alpes ; les échantillons les plus purs et les moins maclés, ceux qui peuvent être utilisés en optique, viennent de Madagascar ou du Brésil.
On a pu reproduire le quartz dans les laboratoires par plusieurs procédés; Sénarmont préparait une solution aqueuse de silice soit en décomposant le chlorure de silicium par l’eau, soit en versant une solution étendue de silicate de soude dans de l’acide chlorhydrique étendu. La liqueur était ensuite enfermée dans des tubes de verre que l’on scellait, puis chauffée jusque vers 1200 ou SOO" en ayant soin que la variation de température soit très lente. Les tubes renfermaient après l’expérience une poudre cristalline formée de cristaux de quartz tout à fait semblables aux cristaux naturels.
M. Daubrée a obtenu le quartz cristallisé par l’action de la vapeur d’eau sur le verre à haute température.
M. Friedel a également reproduit le quartz par voie aqueuse en chauffant dans des tubes fermés, à haute température, une boue liquide formée d eau, de silice, d’alumine et de silicate de potasse. Le grand intérêt que présente ce dernier mode de reproduction consiste en ce qu’il réalise des conditions expérimentales qui ont dû fréquemment se présenter dans la nature; aussi, dans cette expérience, obtienton conjointement au quartz des matières feldspathiques, notamment du feldspath orthose, dont l’association naturelle avec le quartz est si fréquente.
M. Hautefeuille a obtenu le quartz par un procédé différent, qui consiste à chauller au rouge de la silice dans du tungstate de soude fondu. Dans ces conditions, si l’on porte la température jusqu’au rouge vif, on obtient la silice cristallisée sous la forme naturelle que nous étudierons plus bas sous le nom de tridymite. Si 1 on ne pousse la température que jusqu’au point nécessaire pour maintenir le tungstate de soude fondu, on obtient alors la silice cristallisée sous forme de quartz.
Propriétés. — Le quartz cristallise dans le système ternaire ou rtiomboédrique. Cependant la forme la plus habituelle simule aux yeux une symétrie hexagonale. Les cristaux sont formés extérieurement, en effet, par les faces du prisme hexagonal e®(H2), du rhomboèdre primitif P (100), du rhomboèdre inverse e (221). Ces faces sont presque constantes, et souvent les facesp et e A également développées donnent au cristal l’aspect d’une symétrie réellement hexagonale; d’autres fois cependant les faces p l’emportent en développement sur les faces e‘i^. Aux hices citées viennent se joindre fréquemment les facettes hémiédriques s et a; (voir la figure).
Fig. 16.
La facette s est celle d’un solide appartenant à l’antihémiédrie ou hémiédrie à faces inclinées superposables, le ditrièdre ou hémi-isocéloèdre. La facette x est celle d’un solide appartenant à l’hémiédrie holoaxe ou hémiédrie à faces inclinées non superposables ; c’est unhémiscalénoèdre.
Il existe des cristaux droits et des cristaux gauches non superposables et naturellement à cette dissymétrie correspond dans le quartz l’existence du pouvoir rotatoire. Il est facile, rien qu’à la vue d’un cristal doué de ses facettes hémiédriques, de savoir quel est le sens de son pouvoir rotatoire. Les cristaux dans lesquels, poulies facettes hémiédriques de la pyramide supérieure, la face x est à la gauche de la face s, sont doués du pouvoir rotatoire à droite; ceux dans lesquels la facette X est à la droite de la facette s sont doués du pouvoir rotatoire à gauche.
Les cristaux de quartz peuvent présenter un nombre considérable de petites facettes différentes. Notamment la face x peut présenter suivant les échantillons des caractéristiques différentes. Nous ne pouvons ici que renvoyer au traité de minéralogie de M. Desclüizeaux, où les formes cristallines du quartz sont énumérées avec détail, ou bien au mémoire du même auteur, dans les Annales de physique et de chimie.
Les principaux angles des cristaux de quartz sont les suivants :
—- forme primitive, rhomboèdre jo/p = 94° 15'
■— rhomboèdre inverse 94°15';
— faces adjacentes p/e*'® = 76°26'
— faces adjacentes pe® = 6*'* e® = 141“47'.
Les cristaux de quartz sont souvent colorés et de façons diverses. La variété la plus ordinaire est celle des cristaux colorés d’une façon irrégulière en brun noirâtre ;
SILICIUM
ces cristaux sont appelés quartz enfumés. Cette coloration disparaît lorsqu’on chauffe les échantillons vers 200° ou 500° ; elle paraît due à une matière organique qui y est contenue en proportions infinitésimales.
Les quartz jaunes ou fausses topazes changent aussi de teinte lorsqu’on les calcine légèrement.
Les quartzs améthystes sont colorés en violet.
Les cristaux de quartz sont souvent opaques et laiteux. S’ils sont à la fois laiteux et rosés, ils constituent le rubis de Bohême. Il y a des quartz rouge-brique, dits quartz hématoïdes, colorés par le peroxyde de fer.
Parfois le quartz contient, incrustées dans son intérieur, des substances étrangères.
Le quartz chloriteux est rempli de fines lamelles de chloritc.
L’œil-de-chat est un quartz pénétré de fibres d’amianthe.
La dureté du quartz est 7 ; c'est l’un des termes de l’échelle de dureté.
Sa densité est un peu différente suivant les échantillons, surtout évidemment lorsque la pureté varie. Sur 6 échantillons purs, Damoura trouvé des valeurs oscillant seulement entre 2,656 et 2,653; moyenne 2,655 à 15°. Les cristaux droits et les cristaux gauches possèdent la même densité.
Fizeau a mesuré, par son procédé bien connu, les coefficients de dilatation du quartz dans les directions principales. 11 a trouvé pour le coefficient linéaire suivant l’axe cristallographique principal et pour une température moyenne de 40° :
La valeur de la vai’iation du coefficient par rapport à la variation de température est :
Les mêmes quantités pour les directions normales à l’axe sont :
Le coefficient de dilatation cubique du quartz est par suite égale à
y = -f 0,00003619 et
Ces valeurs ne s'appliquent que depuis envii-on 0° jusque vers 70°.
Les dilatations des cristaux gauches et droits sont identiques.
La conductibilité du quartz pour la chaleur varie naturellement suivant diverses directions. Senarmont a montré que cette conductibilité était en accord avec la symétrie du cristal.
Sur une face artificielle normale à l’axe la courbe isotherme est un cercle. Sur
ENCYCLOPÉDIE CHBIIQDE.
toutes les faces différemment placées la courbe est une ellipse dérivant, par section plane, d’un ellipsoïde allongé suivant l’axe ternaire du cristal.
M. Jannettaz a déterminé les constantes des sections elliptiques. Sur les plaques parallèles à l’axe du cristal le rapport des axes de l’ellipse est égal à 1,312. Sur les faces p et ex le rapport est le même; il est égal à 1,108. La dissymétrie rotatoire ne se fait pas sentir dans ce phénomène.
Le quartz possède la double réfraction à un axe positive. La valeur de ses indices de réfraction a été mesurée avec grand soin notamment par Rudberg et par M. Mascart. Vu l’importance de cette constante pour un corps aussi employé que le quartz, nous rapporterons les nombres donnés par ces deux savants.
Indices du quartz d’après Rudberg à la température de 18“ :
Raies. N. ordinaire.
Indices du quartz d’après Mascart :
Raies. N. ordinaire.
N. extraordinaire.
N. extraordinaire.
M. Fizeau a vérifié avec soin que la dissymétrie rotatoire n’influe aucunement sur la valeur des indices de réfraction. Il a trouvé pour la raie D :
Quartz gauche. . . . 1,54446. 1,55561. . , . <=16“,4
Quartz droit. 1,54436. 1,55363. . . . tz=:17“,8
L’intensité de la double réfraction diminue peu à peu dans le quartz lorsque la température s’élève.
La dispersion des couleurs dans les spectres est faible. Le pouvoir dispersif est égal à 0,026, d’après Brewster.
Le quartz est doué de la polarisation rotatoire; cette propriété jointe à la pureté de la substance lui donne une importance extrême pour les expériences optiques.
Ce n’est pas ici le lieu d’insister sur la multiplicité de ses applications ; mais nous allons rapporter les différentes valeurs données pour ce pouvoir rotatoire.
M. Fizeau a vérifié que la valeur de la rotation gauche du plan de polarisation dans les quartz gauches était exactement égale à la valeur de la rotation droite dans les quartz droits.
Voici, d’après Biot, les valeurs de ce pouvoir rotatoire pour les lumières de diverses longueurs d’onde.
Rotation pour 1 millimètre de quartz :
Longueur d’onde.
Rouge extrême .... 645.
Rouge. 628.
Rouge orangé. 596.
Orange jaune. 571.
Jaune. 550.
Jaune vert. 532.
Vert bleu. 492.
Bleu indigo.. 459.
Indigo. 439.
Violet. 406.
Rotation.
Les nombres obtenus depuis par les divers expérimentateurs sont voisins de ceux-là, mais un peu supérieurs. Pour la raie D, Biot avait trouvé la rotation par 1 millimètre égale à 20»,98.
Fizeau a trouvé, pour cette même raie, à la température de 12», une valeur égale à 21»,76.
Stéphan a indiqué le nombre 21»,79.
Broch a indiqué 21»,67.
Voici les nombres donnés par M. Broch :
On peut mesurer la rotation en se servant de lumière blanche et de la teinte sensible, mais pour que ce procédé puisse s’appliquer au quartz, il faut que l’épaisseur de l’échantillon soit inférieure à 5 millimètres.
Voici le tableau des rotations comparées pour la teinte sensible et pour le jaune moyen :
Épaisseur. Rotation de la teinte sensible. R. du jaune,
0,4«8. 11»30'. il»30'
2,!l94. SO^OO. 49<’17'
5,478. 80». 81»ol'
Le pouvoir rotatoire du quartz varie avec la température ; il augmente pendant que la température s’élève. M. Fizeau a constaté que cette variation est la même pour les quartz droits et pour les quartz gauches.
M. Joubert a déterminé cette variation d’une manière précise. Entre — 20» et -I- 100» la variation du pouvoir rotatoire du quartz peut se calculer par la formule :
au-dessus de 100» la formule ne s’applique plus. Voici le tableau des valeurs trouvées :
Température. Rotation pour 1 millimètre.
Le quartz est doué de la piézo-clectricité ; les trois axes binaires horizontaux sont les directions suivant lesquelles les dégagements électriques sont maxima. Si l’on comprime un cristal suivant l’un de ses axes horizontaux, le côté sur lequel se trouvent les faces hémièdres se charge positivement par pression et négativement par traction.
Le sens du dégagement d’électricité est indépendant du sens du pouvoir rotatoire. La quantité d’électricité dégagée par le quartz, pour une pression de 1 kilogramme exercée suivant un axe binaire, est égale où 0,068 unités c. g. s. électrostatiques; elle est capable de porter une sphère de 16»,8 au potentiel d’un élément Daniell.
Le quartz peut montrer également des phénomènes de pyro-électricité, mais seulement lorsqu’on se place dans certaines conditions expérimentales nécessaires; en effet, si l’on chauffe une masse de quartz de telle façon que sa dilatation soit très lente et régulière, les effets électriques qui seraient dus aux trois directions d’hémiédrie se compensent et l’on ne constate aucun dégagement d’électricité. Mais si l’on chauffe le quartz de manière à ce que sa dilatation soit irrégulière ou rapide, on constate des effets électriques dont le sens dépend de la façon dont l’irrégularité de dilatation s’est produite.
Matières cristallines. — A côté du quartz viennent se placer une série de matiêreâ
SILICIUM
confusément cristallines à densité élevée quoique un peu inférieure à celle du quartz. Telles sont les calcédoines, constituées par des mélanges intimes de quartz amorphe et cristallisé ; les agates, formées de couches concentriques avec milieu de quartz cristallisé; lorsque la cristallisation est encore plus confuse, on arrive aux nombreuses variétés réunies sous le nom de silex ; en particulier, la pierre de touche des essayeurs d’or est un silex d’un noir foncé. La pierre meulière se rattache également aux silex.
SILICES DIVERSES
Indymite. — On connaît deux espèces cristallisées de silice anhydre dont la densité est voisine de 2,3. La seule des deux qui existe dans les roches terrestres, la Iridymite, se présente en petites lames hexagonales, le plus souvent groupées trois à trois, parallèlement aux diagonales de l’hexagone.
On la trouve surtout dans les roches trachytiques.
Elle a été reproduite par H. Rose, eu fondant de la silice gélatineuse dans du sel de phosphore, et par Hautefeuille en traitant la silice à haute température par un tungslate alcalin fondu.
Sa densité varie suivant les échantillons de 2,2 à à 2,3.
La forme primitive hexagonale adoptée est telle que le rapport des axes cristallographiques est 1 : 1,638, mais en réalité le réseau est orthorhombique avec formelimite voisine de 120“ et par conséquent pseudo-hexagonale.
Asmannite. — Cette variété de silice cristallisée a été découverte par Maskelyne dans un fer météorique. Elle se présente en petits grains arrondis. Ils appartiennent au système orthorhombique avec un angle voisin de 120“. La forme primitive adoptée donne pour les rapports d’axes 0,573 : 1 : 1,899.
La densité de l’asmannite est égale à 2,243.
Silices amorphes. — En tète des silices anhydres amorphes vient se placer la silice qui a été fondue; sa densité est égale à 2,2.
Cette variété n’est pas cristallisée, elle est monoréfringente. Son indice de réfraction varie de 1,449 à 1,457 pour les rayons rouges. Elle ne jouit pas de la polarisation rotatoire
Les silices, précipitées chimiquement puis déshydratées par calcination, se présentent sous l’aspect de poudres plus ou moins grenues. Leur densité est d environ 2,2, mais varie un peu suivant le degré de calcination.
Les silices amorphes calcinées sont toujours hygrométriques, mais d’autant moins qu’elles ont été plus fortement calcinées. L’absorption d’eau est parfois assez sensible au bout de quelques instants pour affecter des résultats analytiques. La .silice cristallisée, calcinée légèrement, n’est jamais hygrométrique.
Les diverses silices amorphes et le quartz possèdent la propriété d’absorber cer-
laines couleurs, telles que la mauvéine, la rosaniline, lorsqu’on les plonge dans les acétates de ces bases. La porosité de ces matières permet du reste souvent de les colorer artificiellement par divers procédés ; c’est ce qui arrive notamment pour les agates, dont on met en relief la structure zonée en carbonisant dans leur intérieur du miel par de l’acide sulfurique.
HYDRATES SILICIQUES
La question des hydrates siliciques est l’une des plus sérieuses dans l’histoire des dérivés du silicium. Ces hydrates fonctionnent en effet comme des acides faibles et mal définis, mais jouant un grand rôle dans la nature.
Malheureusement, malgré les travaux nombreux qui ont été publiés sur ce sujet, il est encore très mal connu et même mal étudié ; il réclame des recherches expérimentales nouvelles, faites d’après des méthodes autres que celles tentées jusqu’à présent, puisque celles-ci n’ont pas abouti à des résultats certains.
Les nombreux hydrates siliciques décrits n’ont pas pour la plupart de propriétés définies et les proportions d’eau qui y sont contenues forment presque une série continue depuis 0 jusqu’à 20 pour 100 et plus.
La plupart des expérimentateurs n’ont évidemment analysé que des substances partiellement dissociées &t non des corps définis. L’existence réelle des divers hydrates, en raison de cette cause, ne pourra être établie que par l’étude des tensions de dissociation, suivant la méthode féconde qui a déjà rendu de si grands services à la science.
Nous allons passer en revue les principaux hydrates théoriquement possibles, puis nous comparerons les résultats expérimentaux à ces déductions théoriques.
Le premier hydrate silicique, qu’on désigne sous le nom d'hydrate orlhosilicique, doit avoir pour formule développée :
OH
HO —on = Si(OH)>=SiO*,2H’Oi
en effet, c’est le terme correspondant au chlorure SiCH qui, réagissant sur l’eau, peut donner :
SiCD 4- 4H^0 = Si(OH)* -f 4HC1.
L’hydrate orthosilicique peut perdre une molécule d’eau et donner naissance au premier anhydride silicique ou hydrate hisilicique; sa formule est :
/OH
0 = Si =Si0^ffO.
\OH
SILICIDM.
ih\
Si l’on suppose qu'une seule molécule d’eau s’élimine entre deux molécules d’hydrate orthosilicique, on obtient :
2(SiOS2H^O) = 2SiOS3H^O + IPO.
On désigne cet hydrate sous le nom à'hydrate disilicique hexabasique; sa formule se développe ainsi :
110—si —OH
Ô = 2Si0^31P0.
HO —Si—011
11 faut remarquer ici que si l’on fait perdre une molécule d’eau à l’hydrate disilicique hexabasique 2SiO^,5IPO, on obtient un terme 2SiO®,211-0 qui est polymérique avec le précédent et que les résultats analytiques ne pourront, par conséquent, pas en distinguer.
On peut concevoir des hydrates siliciques dans lesquels les atomes de silicium s’accumulent de plus en plus, unis par les atomes d’oxygène; tels que :
Si(OH)=‘
Si(Oll)*
Si(OlI)* = 5Si0^4H^0
à(0H)>=4Si0^5H^0
Si{OH)^
Si(OH)*
t>i(OH)-“
et surtout les dérivés condensés, mais plus déshydratés, tels que :
puis
/OH
Si=0
d = 2Si0^H*0
/OH Si = 0
Si = 0 =3Si0%H®0
notons aussi le terme :
ENCYCLOPÉDIE CHIMIQCE.
Si<Q[} = 3Si0*,211’0.
Si = 0
