Le comportement géochimique d'un élément dépend directement de la structure de son atome : nombre de protons, configuration électronique, charge et taille de l'ion qu'il forme. Ce chapitre revoit ces notions avant d'aborder la classification géochimique de Goldschmidt, qui explique pourquoi certains éléments se concentrent dans le noyau, d'autres dans le manteau ou la croûte — un raisonnement redemandé à chaque contrôle.
1. L'atome : protons, neutrons, électrons
Un atome est la plus petite subdivision de la matière qui conserve les caractéristiques d'un élément chimique. Il est composé de protons (charge positive) et de neutrons (charge nulle), réunis dans le noyau, et d'électrons (charge négative) qui gravitent autour. Dans un atome neutre, le nombre de protons égale le nombre d'électrons. Le numéro atomique (Z) est le nombre de protons ; le nombre de masse (A) est la somme des protons et des neutrons.
Les isotopes d'un même élément partagent le même numéro atomique mais diffèrent par leur nombre de neutrons, donc par leur masse. Certains isotopes sont stables, d'autres radioactifs : ils se désintègrent spontanément en émettant un rayonnement, jusqu'à former un isotope stable — principe exploité par la géochronologie (voir chapitre 6).
2. Configuration électronique et modèle de Bohr
Dans le modèle de Bohr, les électrons occupent des couches successives notées K, L, M, N…, associées à un nombre quantique principal n (nK = 1, nL = 2, nM = 3, nN = 4). Le nombre maximal d'électrons d'une couche suit la relation 2n², soit 2 électrons pour K, 8 pour L, 18 pour M et 32 pour N. Ce sont les électrons de valence des couches externes qui déterminent les propriétés chimiques de l'atome : c'est la configuration électronique qui règle le type, la force et le nombre de liaisons qu'un élément peut former.
3. Les critères du comportement géochimique
Pour prévoir dans quel minéral ou quel réservoir un élément se concentre, la géochimie s'appuie sur plusieurs critères. Le rayon ionique conditionne la possibilité qu'un élément se substitue à un autre dans un réseau cristallin. Le potentiel ionique (rapport charge/rayon) renseigne sur le comportement de l'élément en solution aqueuse. L'électronégativité — l'aptitude d'un atome à attirer les électrons d'une liaison — détermine le caractère plus ou moins ionique ou covalent des liaisons qu'il forme, donc son affinité pour les phases silicatées, métalliques ou sulfurées.
Deux éléments de rayon ionique voisin et de même charge peuvent se substituer librement dans un même site cristallin : c'est le principe des substitutions, essentiel pour comprendre le comportement des éléments en trace (chapitre 5).
4. La classification géochimique de Goldschmidt
Goldschmidt propose de regrouper les éléments selon leur affinité préférentielle pour l'une des grandes phases de la Terre lors de sa différenciation. Les éléments sidérophiles (« amis du fer ») s'associent au fer métallique et se concentrent dans le noyau (Fe, Ni, Co, métaux du groupe du platine). Les éléments chalcophiles (« amis du cuivre ») ont une forte affinité pour le soufre et se concentrent dans les phases sulfurées (Cu, Zn, Pb, Ag). Les éléments lithophiles (« amis de la roche ») s'associent à l'oxygène et se concentrent dans les silicates de la croûte et du manteau (Si, Al, Ca, Na, K, Mg). Les éléments atmophiles restent à l'état gazeux et se concentrent dans l'atmosphère (N, gaz rares) ; on ajoute parfois une classe biophile pour les éléments concentrés par les organismes vivants (C, H, N, P, S).
Cette classification n'est pas absolue : un même élément peut appartenir à plusieurs classes selon les conditions physico-chimiques (par exemple le fer, à la fois sidérophile et lithophile). Elle reste néanmoins l'outil de référence pour interpréter la structuration chimique de la Terre en réservoirs.
Atome d'un élément chimique donné (même numéro atomique) qui possède un nombre de neutrons différent, donc une masse atomique différente ; certains isotopes sont radioactifs.
Rapport entre la charge d'un ion et son rayon ionique ; il conditionne le comportement de l'élément en solution aqueuse (mobilité, précipitation).
Élément qui présente une forte affinité pour le fer métallique et se concentre préférentiellement dans le noyau terrestre lors de la différenciation planétaire.
| Classe | Affinité | Réservoir de concentration | Exemples |
|---|---|---|---|
| Sidérophile | Fer métallique | Noyau | Fe, Ni, Co |
| Chalcophile | Soufre | Phases sulfurées | Cu, Zn, Pb |
| Lithophile | Oxygène | Silicates (croûte, manteau) | Si, Al, Ca, Na, K |
| Atmophile | État gazeux | Atmosphère | N₂, gaz rares |
La classification géochimique de Goldschmidt
- Numéro atomique Z = nombre de protons ; nombre de masse A = protons + neutrons ; isotopes = même Z, A différent.
- Couches électroniques K, L, M, N contiennent au maximum 2n² électrons (2, 8, 18, 32).
- Rayon ionique, potentiel ionique et électronégativité expliquent l'affinité et la mobilité des éléments.
- Classification de Goldschmidt : sidérophile (noyau), chalcophile (sulfures), lithophile (silicates), atmophile (atmosphère).
- Un même élément peut relever de plusieurs classes selon les conditions (le fer est à la fois sidérophile et lithophile).
Question classique : donner la classification de Goldschmidt avec un exemple pour chaque classe, ou expliquer pourquoi tel élément se retrouve dans le noyau plutôt que dans la croûte. Piège fréquent : confondre potentiel ionique et potentiel d'ionisation, deux notions différentes malgré la ressemblance des noms.