MESURER LA DENSITE D'UN MINERAL

[Néodyme]

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MESURE DE LA DENSITE D'UN ECHANTILLON MINERALOGIQUE

AVERTISSEMENT

Pour déterminer la nature d'un minéral, nous avons plusieurs critères: système cristallin, couleur, trait, éclat, dureté, et...densité! Il arrive que sans connaître la densité, il soit impossible de différencier deux minéraux (ou plus). La mesure de la densité d'un échantillon, par application du principe d'Archimède, est une opération simple. Trop simple! En réalité, elle comporte de nombreux pièges et une mesure rigoureuse de la densité demande beaucoup de soin, faute de quoi l'incertitude peut facilement dépasser les 10% ce qui ne permet pas de différencier certains minéraux..

Ayant lu un peu tout et n'importe quoi sur le forum à propos de la mesure de la densité, je vais vous faire bénéficier de 20 ans de mesures quotidiennes de densité de divers matériaux, en laboratoire comme en production et une fois pour toutes vous exposer ici comment, pour un coût dérisoire, vous pourrez arriver à faire une mesure digne d'un labo.

PRECAUTIONS PRELIMINAIRES

Si on veut que la mesure ait un sens, il faut respecter certains critères:

-l'échantillon doit être homogène et propre: il faut le débarrasser de toute la gangue, terre, etc. Il ne doit pas y avoir d'inclusions, ou alors en quantités très faibles

-l'échantillon ne doit pas comporter de porosités fermées (bulles) qui fausseraient la mesure du volume.

RESUME DU PRINCIPE DE MESURE

En pesant l'échantillon, on obtient bien sûr sa masse. En le pesant dans l'eau, et en soustrayant cette valeur à la masse initiale, on obtient son volume. Puis en divisant la masse initiale par le volume, on obtient la masse volumique, autrement dit la densité. En faisant dans la foulée la même opération sur un étalon de densité, on calcule un coefficient correcteur qu'on applique ensuite à la densité mesurée de l'échantillon, ce qui améliore notablement la précision.

DEFINITION:

masse volumique = Masse/Volume = M/V en kg par dm³

(nota: 1 kg/dm³ = 1 g/cm³)

densité = MV /MVe = masse volumique échantillon / masse volumique de l'eau pure

masse volumique de l'eau pure = 0,99995 kg/dm³ à 4°C (1 kg/dm³)

(= 0,998203 kg/dm³ à 20°C)

La valeur de la masse volumique exprimée en kg par dm3 (ou litre) est identique à la valeur de la densité (grandeur sans dimension, c'est-à-dire sans unité).

L'OUTIL DE BASE: LA BALANCE

Même si certains ont la nostalgie de la bonne vieille balance Roberval, il faut impérativement une balance digitale, dont l'électronique assure une précision globale de +/- 1 digit, et qui permet aussi de faire la tare avant chaque mesure.

Pour éviter l'achat d'une balance de labo à 800 ou 1000€, voici les solutions que j'ai retenues.

Pour les "gros" échantillons (>100g), j'ai commencé avec une balance de cuisine achetée 19€ chez Darty. Voir photo. Pourquoi cette balance? Elle a l'avantage que son plateau de mesure est accessible par dessous, ce qui m'a permis d'y coller un petit anneau en alu, auquel je peux accrocher l'échantillon pour le peser dans l'eau. Pour vérifier son bon fonctionnement, j'utilise un poids de 200g que j'ai fait peser avec précision chez mon pharmacien, et qui me sert donc d'étalon. MAIS, il faut savoir que la pleine précision d'une balance ne s'obtient qu'entre 10 et 90% de son étendue de mesure (j'exagère un peu, mais autant prendre des marges). Cette balance a une étendue de mesure de 5kg, donc je fais en sorte d'avoir toujours au moins 500g sur le plateau. Par exemple, si je veux peser un échantillon de 300g, je mets un poids de 200g sur le plateau, je fais la tare, et là je pèse mon échantillon. A noter aussi qu'après la mise sous tension, une telle balance a besoin d'atteindre un certain équilibre thermique, il faut donc l'allumer environ 15 minutes avant de faire la mesure. Moyennant quoi, vérification faite, la précision de + ou - 1g est assurée.

Pour faire la manip, j'ai réalisé avec quelques chutes d'agglo mélaminé un support percé sur lequel je pose la balance. Un petit panier léger en plastique (récup) permet de recevoir l'échantillon. Un demi bidon de 5 litres sert de cuve à eau. (Voir photos).

(à suivre)

[Néodyme]

(suite...)

Puis, pour pouvoir effectuer la mesure sur de petits échantillons, j'ai acheté pour 25€ dans une bourse minéralogique une petite balance de bijoutier, qui affiche le dixième de gramme, avec une étendue de mesure de 500g. (Voir photo). Le plateau de mesure n'étant pas accessible par dessous, j'ai réalisé un étrier en laiton qui me permet d'accrocher l'échantillon sous la balance (voir photo) et d'appuyer bien au centre du plateau par l'intermédiaire d'un contact sphérique. J'utilise le même support que pour l'autre balance, et la même cuve à eau.

Mais dans ce cas, pas de panier: je suspends l'échantillon à la balance à l'aide d'un fin fil à coudre.

A mon avis, cette seule deuxième petite balance devrait couvrir la majorité de vos besoins.

L'EAU

L'eau est le deuxième élément fondamental dans la mesure de la densité. Or l'eau du robinet, même potable, est très loin d'être pure. Elle contient des minéraux dissous (plus ou moins selon les captages), de l'air et d'autres gaz dissous, des volatils...etc, et en plus sa température est variable.

La masse volumique de l'eau n'est égale à 1 kg/dm3 qui si l'eau est totalement pure et sa température de 4°C. L'eau du robinet introduit une erreur qui peut facilement dépasser le pourcent. Il faut donc utiliser de l'eau déminéralisée et dégazée pour minimiser l'erreur.

Personnellement, j'ai raccordé un tuyau sur la sortie du condenseur du sèche-linge, qui remplit un bidon. Avant utilisation , je la fais bouillir pour la dégazer et je la stocke au frigo. J'ai ainsi une véritable eau distillée qui ne me coûte rien.

ETALON DE DENSITE

C'est l'arme décisive qui va permettre d'annuler l'essentiel des erreurs de mesure résiduelles. Vous pourrez facilement faire réaliser un tel étalon, soit dans un atelier de décolletage s'il y en a un près de chez vous, ou bien dans un lycée technique ou un IUT. Il devrait vous en coûter tout au plus une bonne bouteille de jus de fruit (fermenté ou non, à vous de voir, pour les bretons, c'est tout vu).

La majorité des minéraux courants ayant une densité comprise entre 2 et 4, on pourra choisir un volume en aluminium (d entre 2,6 et 2,7). Choisir un volume de géométrie simple (cylindre, cube) mais parfaite (sans défauts de forme, cylindricité, parallélisme…). Mesurer ses dimensions à 0,01mm près (palmer) et calculer son volume. Le peser avec une balance de précision, au moins à 0,1g près (chez le pharmacien!). Calculer sa masse volumique ou densité. La précision est meilleure que 0,01. Sur la photo, un cylindre en alu de phi40 x h50, dont la densité est garantie exacte avec deux chiffres après la virgule.

Pour les petits échantillons, j'ai un deuxième étalon beaucoup plus petit (10g).

Il est recommandé de graver dimensions, masse et densité sur les étalons.

PROCEDURE DE MESURE

Préparation

1 – Nettoyer l'échantillon (brosse à dents + eau savonneuse, autres produits selon le cas...) bien rincer, 24 heures mini de séchage sur un radiateur.

2 – Allumer la balance 15 min avant de faire la mesure (sauf s'il y a un auto-off, dans ce cas, la laisser au moins se stabiliser à la température du lieu de mesure). Vérifier la balance avec un poids étalon.

3 – Peser l'échantillon sec  M_S

Mesure

4 – Laisser l'échantillon tremper au moins une heure dans de l'eau déminéralisée et dégazée additionnée d'une goutte d'alcool ménager (pour réduire la tension superficielle). Les petites bulles d'air résiduelles vont ainsi se dissoudre dans l'eau et toute la surface sera ainsi bien mouillée.

(Nota: pour les échantillons très poreux, on réalise cette opération dans une cuve à eau dans laquelle on fait le vide, ce qui permet d'extraire l'air des porosités, puis en cassant le vide on fait entrer l'eau partout, mais nous sommes ici rarement confrontés à ce cas de figure, donc on oublie, de toute façon, une pompe à vide coûte bien trop cher.)

5 – Poser la balance au dessus d'un récipient empli d'eau déminéralisée et dégazée, le panier de pesage immergé dans l'eau. Poser sur la balance un lest permettant, avec l'échantillon, de dépasser 10% de l'étendue de mesure. Faire la tare.

6 – Transférer l'échantillon du bain de trempage dans le panier de pesage, s'assurer qu'il est entièrement immergé, attendre que plus rien ne bouge, relever la masse de l'échantillon dans l'eau M_E. Calculer la densité brute

d_b = M_S/(M_S – M_E)

Correction finale:

7 – Remplacer l'échantillon par l'étalon de densité d_e. Mesurer sa masse dans l'eau et calculer sa densité mesurée d_m. Calculer le coefficient correcteur

Cc = d_e / d_m

8 – Calculer la densité réelle de l'échantillon en lui appliquant le coefficient correcteur

d_r = d_b x Cc

Normalement, cette méthode vous permet d'afficher une densité exacte avec un chiffre après la virgule, pourvu que l'échantillon ne soit pas trop minuscule.

[cuprum69]

Super explication merci!

[Eponte]

de mémoire, on appelle ça une balance à masse spécifique

[Neo02]

Calcul de la densité d'une hache polie

[cascaillou]

https://www.mindat.org/mesg-100-338875.html

Tutoriel (en anglais) pour fabriquer un kit permettant une mesure précise de la densité meme pour des pierres de petite taille. Peu couteux et pas bien compliqué a realiser.