Fluorine - Fluorite

Fluorine
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Cristal de fluorite isolé vert foncé ressemblant à un octaèdre tronqué , serti sur une matrice micacée, provenant du mont Erongo, région d'Erongo, Namibie (taille totale : 50 mm × 27 mm, taille du cristal : 19 mm de large, 30 g)
Général
Catégorie Minéral halogénure
Formule
(unité répétitive)
CaF 2
Classement de Strunz 3.AB.25
Système de cristal Isométrique
Classe de cristal Hexoctaèdre (m 3 m)
Symbole H–M : (4/m 3 2/m)
( cF12 )
Groupe d'espace F m 3 m (n°225)
Cellule unitaire a = 5,4626  ; Z = 4
Identification
Couleur Incolore, bien que les échantillons soient souvent profondément colorés en raison des impuretés ; Violet, lilas, jaune doré, vert, bleu, rose, champagne, marron.
Habit de cristal Cristaux grossiers bien formés; également nodulaire, botryoïde, rarement cylindrique ou fibreuse; granuleux, massif
Jumelage Commun sur {111}, interpénétrant, aplati
Clivage Octaèdre, parfait le {111}, se séparant le {011}
Fracture Subconchoïdal à irrégulier
Ténacité Fragile
Dureté à l'échelle de Mohs 4 (minéral défini)
Lustre Vitreux
Traînée blanche
Diaphanéité Transparent à translucide
Densité spécifique 3.175-3.184 ; à 3,56 si riche en éléments de terres rares
Propriétés optiques Isotrope ; faible anisotropisme anormal
Indice de réfraction 1,433-1,448
Fusibilité 3
Solubilité légèrement soluble dans l'eau et dans l'acide chlorhydrique chaud
Autres caractéristiques Peut être fluorescent , phosphorescent , thermoluminescent et/ou triboluminescent
Les références

La fluorite (également appelée spath fluor ) est la forme minérale du fluorure de calcium , CaF 2 . Il appartient aux minéraux halogénures . Il cristallise en habit cubique isométrique , bien que les formes octaédriques et isométriques plus complexes ne soient pas rares.

L' échelle de Mohs de dureté minérale , basée sur la comparaison de la dureté aux rayures , définit la valeur 4 comme fluorite.

La fluorite pure est transparente, à la fois à la lumière visible et ultraviolette, mais les impuretés en font généralement un minéral coloré et la pierre a des usages ornementaux et lapidaires . Industriellement, la fluorine est utilisée comme fondant pour la fonte et dans la production de certains verres et émaux. Les qualités les plus pures de fluorine sont une source de fluorure pour la fabrication d' acide fluorhydrique , qui est la source intermédiaire de la plupart des produits chimiques fins contenant du fluor . Les lentilles en fluorite transparente optiquement claire ont une faible dispersion , de sorte que les lentilles fabriquées à partir de celle-ci présentent moins d' aberrations chromatiques , ce qui les rend précieuses dans les microscopes et les télescopes. Les optiques en fluorite sont également utilisables dans les gammes de l'ultraviolet lointain et de l'infrarouge moyen, où les verres conventionnels sont trop opaques pour être utilisés.

Histoire et étymologie

Le mot fluorite est dérivé du verbe latin fluere , qui signifie couler . Le minéral est utilisé comme fondant dans la fonte du fer pour diminuer la viscosité du laitier . Le terme flux vient de l'adjectif latin fluxus , qui signifie fluide, lâche, mou . La fluorine minérale était à l'origine appelée fluorospath et a été discutée pour la première fois sous forme imprimée dans un ouvrage de 1530 Bermannvs sive de re metallica dialogus [Bermannus; ou un dialogue sur la nature des métaux], par Georgius Agricola , comme un minéral connu pour son utilité comme fondant. Agricola, un scientifique allemand spécialisé dans la philologie , l' exploitation minière et la métallurgie, a nommé le spath fluor comme néo-latinisation du Flussspat allemand de Fluss ( ruisseau , rivière ) et Spat (ce qui signifie un minéral non métallique semblable au gypse , spærstān, pierre de lance , se référant à ses projections cristallines).

En 1852, la fluorite a donné son nom au phénomène de fluorescence , qui est prédominant dans les fluorites de certains endroits, en raison de certaines impuretés dans le cristal. La fluorite a également donné le nom à son élément constitutif fluor . Actuellement, le mot « spath fluor » est le plus couramment utilisé pour la fluorine en tant que produit industriel et chimique, tandis que « fluorite » est utilisé sur le plan minéralogique et dans la plupart des autres sens.

Dans le contexte de l'archéologie, de la gemmologie, des études classiques et de l'égyptologie, les termes latins murrina et myrrhina font référence à la fluorite. Dans le livre 37 de son Naturalis Historia , Pline l'Ancien la décrit comme une pierre précieuse marbrée de pourpre et de blanc, dont les objets taillés dans celle-ci, le prix des Romains.

Structure

La structure du fluorure de calcium CaF 2 .

La fluorite cristallise en un motif cubique. Le jumelage cristallin est courant et ajoute de la complexité aux habitudes cristallines observées . La fluorite a quatre plans de clivage parfaits qui aident à produire des fragments octaédriques. Le motif structurel adopté par la fluorite est si commun que le motif s'appelle la structure de la fluorite . La substitution d'éléments pour le cation calcium comprend souvent le strontium et certains éléments des terres rares (REE), tels que l'yttrium et le cérium.

Occurrence et exploitation minière

structure noire à chevrons (ondée, dentelée)
Un gros plan de surface de fluorite

La fluorite se forme en tant que minéral à cristallisation tardive dans les roches ignées felsiques , généralement par le biais d'une activité hydrothermale. Elle est particulièrement fréquente dans les pegmatites granitiques. Il peut se présenter sous la forme d'un dépôt filonien formé par l' activité hydrothermale , en particulier dans les calcaires. Dans de tels gisements filoniens , il peut être associé à de la galène , de la sphalérite , de la barytine , du quartz et de la calcite . La fluorite peut également être trouvée en tant que constituant des roches sédimentaires, soit sous forme de grains, soit en tant que matériau de cimentation dans le grès.

Les réserves mondiales de fluorine sont estimées à 230 millions de tonnes (Mt) avec les plus gros gisements en Afrique du Sud (environ 41 Mt), au Mexique (32 Mt) et en Chine (24 Mt). La Chine est en tête de la production mondiale avec environ 3 Mt par an (en 2010), suivie du Mexique (1,0 Mt), de la Mongolie (0,45 Mt), de la Russie (0,22 Mt), de l'Afrique du Sud (0,13 Mt), de l'Espagne (0,12 Mt) et de la Namibie (0,11 Mt).

L'un des plus grands gisements de spath fluor en Amérique du Nord est situé sur la péninsule de Burin , à Terre - Neuve , au Canada. La première reconnaissance officielle du spath fluor dans la région a été enregistrée par le géologue JB Jukes en 1843. Il a noté une présence de « galène » ou de minerai de plomb et de fluorure de chaux du côté ouest du port de Saint-Laurent. Il est enregistré que l'intérêt pour l'exploitation commerciale du spath fluor a commencé en 1928 avec le premier minerai extrait en 1933. Finalement, à Iron Springs Mine, les puits ont atteint des profondeurs de 970 pieds (300 m). Dans le secteur du Saint-Laurent, les filons sont persistants sur de grandes longueurs et plusieurs d'entre eux présentent de larges lentilles. La zone avec des veines de taille exploitable connue comprend environ 60 milles carrés (160 km 2 ). En 2018, Canada Fluorspar Inc. a recommencé la production minière à Saint-Laurent; au printemps 2019, l'entreprise prévoyait de développer un nouveau port d'expédition sur le côté ouest de la péninsule de Burin comme moyen plus abordable de déplacer leurs produits vers les marchés, et ils ont réussi à envoyer la première cargaison de minerai du nouveau port le 31 juillet. 2021. C'est la première fois en 30 ans que du minerai est expédié directement du Saint-Laurent.

Des cristaux cubiques mesurant jusqu'à 20 cm de diamètre ont été trouvés à Dalnegorsk , en Russie. Le plus grand monocristal de fluorine documenté était un cube de 2,12 mètres et pesant environ 16 tonnes. La fluorite est également présente dans les mines du pic Caldoveiro , dans les Asturies , en Espagne .

"Jean bleu"

L'une des plus célèbres localités de fluorite les plus connues est Castleton dans le Derbyshire , en Angleterre , où, sous le nom de "Derbyshire Blue John", la fluorite bleu-violet a été extraite de plusieurs mines ou grottes. Au 19ème siècle, cette fluorite attrayante a été exploitée pour sa valeur ornementale. Le minéral Blue John est maintenant rare, et seulement quelques centaines de kilogrammes sont extraits chaque année à des fins ornementales et lapidaires . L'exploitation minière a toujours lieu dans Blue John Cavern et Treak Cliff Cavern .

Des gisements récemment découverts en Chine ont produit de la fluorite avec une coloration et des bandes similaires à la pierre classique Blue John.

Fluorescence

Fluorine fluorescente de la mine de Boltsburn, Weardale , North Pennines , County Durham , England, UK.

George Gabriel Stokes a nommé le phénomène de fluorescence de la fluorite, en 1852.

De nombreux échantillons de fluorine présentent une fluorescence sous lumière ultraviolette , une propriété qui tire son nom de la fluorite. De nombreux minéraux, ainsi que d'autres substances, sont fluorescents. La fluorescence implique l'élévation des niveaux d'énergie des électrons par des quanta de lumière ultraviolette, suivie du retour progressif des électrons dans leur état énergétique précédent, libérant des quanta de lumière visible dans le processus. Dans la fluorine, la lumière visible émise est le plus souvent bleue, mais il y a aussi du rouge, du violet, du jaune, du vert et du blanc. La fluorescence de la fluorine peut être due à des impuretés minérales, telles que l' yttrium et l' ytterbium , ou à des matières organiques, telles que les hydrocarbures volatils dans le réseau cristallin. En particulier, la fluorescence bleue observée dans les fluorites de certaines régions de Grande-Bretagne responsables de la dénomination du phénomène de fluorescence lui-même, a été attribuée à la présence d'inclusions d' europium divalent dans le cristal. Des échantillons naturels contenant des impuretés de terres rares telles que l' erbium ont également été observés pour afficher une fluorescence de conversion ascendante , dans laquelle la lumière infrarouge stimule l'émission de lumière visible, un phénomène généralement signalé uniquement dans les matériaux synthétiques.

Une variété fluorescente de fluorine est le chlorophane , qui est de couleur rougeâtre ou violette et émet une fluorescence vive en vert émeraude lorsqu'il est chauffé ( thermoluminescence ) ou lorsqu'il est éclairé par une lumière ultraviolette.

La couleur de la lumière visible émise lorsqu'un échantillon de fluorite est fluorescent dépend de l'endroit où l'échantillon d'origine a été prélevé ; différentes impuretés ayant été incluses dans le réseau cristallin à différents endroits. De même, toutes les fluorites n'ont pas la même fluorescence, même à partir de la même localité. Par conséquent, la lumière ultraviolette n'est pas un outil fiable pour l'identification des spécimens, ni pour quantifier le minéral dans les mélanges. Par exemple, parmi les fluorites britanniques, celles du Northumberland , du comté de Durham et de l'est de la Cumbrie sont les plus régulièrement fluorescentes, tandis que les fluorites du Yorkshire , du Derbyshire et des Cornouailles , si elles sont fluorescentes, ne sont généralement que faiblement fluorescentes.

La fluorite présente également la propriété de thermoluminescence .

Couleur

La fluorite est allochromatique, ce qui signifie qu'elle peut être teintée d'impuretés élémentaires. La fluorite est disponible dans une large gamme de couleurs et a par conséquent été surnommée "le minéral le plus coloré au monde". Chaque couleur de l'arc-en-ciel dans diverses nuances est représentée par des échantillons de fluorite, ainsi que des cristaux blancs, noirs et clairs. Les couleurs les plus courantes sont le violet, le bleu, le vert, le jaune ou l'incolore. Les moins courants sont le rose, le rouge, le blanc, le brun et le noir. Le zonage de couleur ou les bandes sont généralement présents. La couleur de la fluorite est déterminée par des facteurs tels que les impuretés, l'exposition aux rayonnements et l'absence de vides des centres de couleur .

Les usages

Source de fluor et de fluorure

La fluorite est une source majeure de fluorure d'hydrogène , un produit chimique de base utilisé pour produire une large gamme de matériaux. Le fluorure d'hydrogène est libéré du minéral par l'action de l'acide sulfurique concentré :

CaF 2 ( s ) + H 2 SO 4CaSO 4 (s) + 2 HF( g )

Le HF résultant est converti en fluor, en fluorocarbures et en divers matériaux fluorés. À la fin des années 1990, cinq milliards de kilogrammes étaient extraits chaque année.

Il existe trois principaux types d'utilisation industrielle de la fluorine naturelle, communément appelée « spath fluor » dans ces industries, correspondant à différents degrés de pureté. La fluorite de qualité métallurgique (60 à 85 % de CaF 2 ), la plus faible des trois qualités, a traditionnellement été utilisée comme fondant pour abaisser le point de fusion des matières premières dans la production d' acier afin de faciliter l'élimination des impuretés, et plus tard dans la production de aluminium . La fluorite de qualité céramique (85 à 95 % de CaF 2 ) est utilisée dans la fabrication de verre opalescent , d' émaux et d'ustensiles de cuisine. Le grade le plus élevé, la « fluorite de qualité acide » (97 % ou plus de CaF 2 ), représente environ 95 % de la consommation de fluorite aux États-Unis où il est utilisé pour fabriquer du fluorure d'hydrogène et de l'acide fluorhydrique en faisant réagir la fluorite avec de l'acide sulfurique .

À l'échelle internationale, la fluorine de qualité acide est également utilisée dans la production d'AlF 3 et de cryolite (Na 3 AlF 6 ), qui sont les principaux composés fluorés utilisés dans la fusion de l'aluminium. L'alumine est dissoute dans un bain composé principalement de Na 3 AlF 6 , AlF 3 et de fluorine (CaF 2 ) fondus pour permettre la récupération électrolytique de l'aluminium. Les pertes de fluor sont entièrement remplacées par l'ajout d'AlF 3 , dont la majorité réagit avec l'excès de sodium de l'alumine pour former Na 3 AlF 6 .

Utilisations de niche

Crawford Cup (Romain, 50-100 CE) dans la collection du British Museum . Fait de fluorine.

Utilisations lapidaires

Le minéral naturel de fluorite a des utilisations ornementales et lapidaires . La fluorite peut être forée dans des perles et utilisée dans les bijoux, bien qu'en raison de sa douceur relative, elle ne soit pas largement utilisée comme pierre semi-précieuse. Il est également utilisé pour les sculptures ornementales, des sculptures expertes tirant parti de la zonation de la pierre.

Optique

En laboratoire, le fluorure de calcium est couramment utilisé comme matériau de fenêtre pour les longueurs d'onde infrarouges et ultraviolettes , car il est transparent dans ces régions (environ 0,15 µm à 9 µm) et présente une variation extrêmement faible de l' indice de réfraction avec la longueur d'onde. De plus, le matériau est attaqué par quelques réactifs. À des longueurs d'onde aussi courtes que 157 nm, une longueur d'onde courante utilisée pour la fabrication de semi-conducteurs pas à pas pour la lithographie de circuits intégrés , l'indice de réfraction du fluorure de calcium montre une certaine non-linéarité à des densités de puissance élevées, ce qui a inhibé son utilisation à cette fin. Au début du 21e siècle, le marché des moteurs pas à pas pour le fluorure de calcium s'est effondré et de nombreuses grandes installations de fabrication ont été fermées. Canon et d'autres fabricants ont utilisé des cristaux synthétiques de composants de fluorure de calcium dans les objectifs pour faciliter la conception apochromatique et réduire la dispersion de la lumière . Cette utilisation a été largement remplacée par des lunettes plus récentes et la conception assistée par ordinateur. En tant que matériau optique infrarouge, le fluorure de calcium est largement disponible et était parfois connu sous le nom de marque Eastman Kodak « Irtran-3 », bien que cette désignation soit obsolète.

La fluorite ne doit pas être confondue avec le verre à couronne fluorée (ou couronne fluorée), un type de verre à faible dispersion qui a des propriétés optiques spéciales proches de la fluorite. La vraie fluorite n'est pas un verre mais un matériau cristallin. Les lentilles ou les groupes optiques fabriqués à l'aide de ce verre à faible dispersion comme un ou plusieurs éléments présentent moins d' aberrations chromatiques que ceux utilisant des éléments conventionnels et moins coûteux en verre couronne et en verre silex pour fabriquer une lentille achromatique . Les groupes optiques emploient une combinaison de différents types de verre ; chaque type de verre réfracte la lumière d'une manière différente. En utilisant des combinaisons de différents types de verre, les fabricants de lentilles sont en mesure d'annuler ou de réduire considérablement les caractéristiques indésirables ; l'aberration chromatique étant la plus importante. Les meilleures de ces conceptions de lentilles sont souvent appelées apochromatiques (voir ci-dessus). Le verre à couronne fluorée (comme le Schott FK51) généralement associé à un verre « flint » approprié (comme le Schott KzFSN 2) peut donner des performances très élevées dans les objectifs de télescope, ainsi que les objectifs de microscope et les téléobjectifs de caméra. Les éléments en fluorite sont également associés à des éléments complémentaires en « silex » (tels que Schott LaK 10). Les qualités de réfraction de la fluorite et de certains éléments en silex assurent une dispersion plus faible et plus uniforme dans tout le spectre de la lumière visible, maintenant ainsi les couleurs plus proches les unes des autres. Les lentilles fabriquées avec de la fluorite sont supérieures aux lentilles à base de fluoro-couronne, au moins pour les objectifs de télescope doublet; mais sont plus difficiles à produire et plus coûteux.

L'utilisation de la fluorite pour les prismes et les lentilles a été étudiée et promue par Victor Schumann vers la fin du 19ème siècle. Les cristaux de fluorite naturels sans défauts optiques étaient juste assez gros pour produire des objectifs de microscope.

Avec l'avènement des cristaux de fluorite cultivés synthétiquement dans les années 50 et 60, il pourrait être utilisé à la place du verre dans certains éléments de télescope optique et d' objectif de caméra haute performance . Dans les télescopes, les éléments en fluorite permettent des images haute résolution d'objets astronomiques à fort grossissement . Canon Inc . produit des cristaux de fluorite synthétique qui sont utilisés dans leurs meilleurs téléobjectifs . L'utilisation de fluorite pour les lentilles de télescope a diminué depuis les années 1990, car les nouvelles conceptions utilisant du verre à couronne fluorée, y compris les triplets, ont offert des performances comparables à des prix inférieurs. La fluorite et diverses combinaisons de composés fluorés peuvent être transformées en cristaux synthétiques qui ont des applications dans les lasers et les optiques spéciales pour UV et infrarouge.

Les outils d'exposition pour l' industrie des semi - conducteurs utilisent des éléments optiques en fluorite pour la lumière ultraviolette à des longueurs d' onde d'environ 157 nanomètres . La fluorite a une transparence exceptionnellement élevée à cette longueur d'onde. Les lentilles d'objectif en fluorite sont fabriquées par les plus grandes entreprises de microscopes (Nikon, Olympus , Carl Zeiss et Leica). Leur transparence à la lumière ultraviolette permet leur utilisation en microscopie à fluorescence . La fluorite sert également à corriger les aberrations optiques de ces lentilles. Nikon a déjà fabriqué au moins un objectif de caméra en fluorite et quartz synthétique (105 mm f/4,5 UV) pour la production d' images ultraviolettes . Konica a produit un objectif en fluorite pour ses appareils photo reflex, l'Hexanon 300 mm f/6.3.

Images

Source de fluor gazeux dans la nature

En 2012, la première source de fluor gazeux d'origine naturelle a été découverte dans des mines de fluorine en Bavière, en Allemagne. On pensait auparavant que le fluor gazeux ne se produisait pas naturellement car il est très réactif et réagirait rapidement avec d'autres produits chimiques. La fluorite est normalement incolore, mais certaines formes variées trouvées à proximité semblent noires et sont connues sous le nom de «fluorite fétide» ou antozonite . Les minéraux, contenant de petites quantités d' uranium et de ses produits de filiation, libèrent un rayonnement suffisamment énergétique pour induire l'oxydation des anions fluorure dans la structure en fluor qui est piégé à l'intérieur du minéral. La couleur de la fluorite fétide est principalement due aux atomes de calcium restants. La RMN du fluor-19 à l'état solide réalisée sur le gaz contenu dans l'antozonite a révélé un pic à 425 ppm, ce qui est cohérent avec F 2 .

Voir également

Les références

Domaine public Cet article incorpore  du matériel du domaine public du document du United States Geological Survey : « Fluorspar » (PDF) .

Liens externes