Structure du diamant
Le diamant se forme naturellement dans des conditions de température et de pression extrêmement élevées que l'on ne trouve qu'à l'intérieur de la Terre. On trouve des diamants à une profondeur de 90 à 125 milles sous la surface de la Terre. Selon les conditions, une pierre de diamant peut se former en quelques jours ou quelques semaines, mais cela peut aussi prendre des millions d'années.
Le diamant est un allotrope du carbone. Cela signifie qu'il s'agit de l'une des nombreuses formes sous lesquelles le carbone forme des molécules. La formule empirique du diamant est juste C - le diamant est composé uniquement d'atomes de carbone !
Lesallotropes sont des formes structurelles différentes sous lesquelles un même élément peut exister.
Sais-tu que le diamant, le graphite et le charbon de bois sont tous composés uniquement d'atomes de carbone ? Ce sont tous des allotropes du carbone, et la formule empirique de ces trois éléments est simplement C . La seule différence entre les trois est la structure moléculaire, c'est-à-dire la disposition des atomes dans l'espace les uns par rapport aux autres. Le diamant a une structure appelée tétraédrique. Tu en apprendras plus à ce sujet dans cet article. Si tu es intéressé par le graphite, rends-toi sur Graphite.
La configuration électronique du carbone est 1s2 2s2 2p2. Il a 4 électrons dans son enveloppe de valence et il lui en faut 4 de plus pour compléter son octuor. Pour ce faire, il établit des liaisons covalentes avec 4 autres atomes de carbone.
La règle de l'octuor de la liaison chimique stipule que les éléments essaient d'établir des liaisons entre eux de façon à ce qu'ils aient tous 8 électrons dans leur enveloppe de valence. Le fait d'avoir 8 électrons dans l'enveloppe de valence est considéré comme une configuration électronique stable.
Une liaison covalente est une liaison chimique dans laquelle les éléments partagent des paires d'électrons entre eux.
Le carbone est un élément particulier du tableau périodique en raison de sa capacité à créer de longues chaînes de liaisons stables avec d'autres atomes de carbone (et parfois la présence occasionnelle d'autres atomes). Le diamant se forme lorsque plusieurs (millions de millions) d'atomes de carbone forment de longues chaînes de liaisons entre eux et s'arrangent pour former une structure tétraédrique.
Un tétraèdre est une forme géométrique moléculaire. Pour la visualiser, imagine une pyramide triangulaire (une pyramide à base triangulaire). Il y a un atome à chaque sommet de la pyramide (il y a 4 sommets dans une pyramide triangulaire), et un atome se trouve au centre de la pyramide, qui est relié aux 4 atomes. Cette image t'aidera à la visualiser.
Fig. 1 : Géométrie tétraédrique 3D | Wikimedia
Dans le diamant, chaque atome de carbone a 4 liaisons covalentes avec 4 autres atomes de carbone. Une structure covalente géante se forme lorsque les tétraèdres d'atomes de carbone sont reliés les uns aux autres comme une toile.
Fig. 2 : Disposition tétraédrique des atomes de carbone dans le diamant | Tutormyself
Propriétés du diamant
La structure du diamant et sa composition chimique sont responsables des propriétés uniques qu'il possède.
Point de fusion élevé
Pour faire fondre un matériau, il faut rompre les liaisons chimiques qui lient les atomes entre eux. En raison de la présence de fortes liaisons covalentes dans toute la structure du diamant, il faut une quantité importante d'énergie pour les briser. Le point de fusion du diamant est d'environ 4027oC!
Dureté élevée
Grâce à la présence de fortes liaisons covalentes et à une structure tétraédrique rigide, le diamant est le matériau le plus dur jamais découvert.
T'es-tu déjà demandé comment on mesure la dureté d'un matériau ? La dureté des minéraux est mesurée par l'échelle de Mohs. C'est une échelle qui classe la dureté des matériaux dans leur forme naturelle sur une échelle de 1 à 10, 1 étant le plus doux et 10 le plus dur. Le diamant a une dureté de 10 sur l'échelle de Mohs. De plus, il est 40 fois plus dur que les minéraux de dureté 9 !
Tu te dis : "Si le diamant est le matériau le plus dur au monde, comment est-il taillé en formes précises pour la joaillerie ?"? Le diamant est découpé à l'aide de lasers très puissants. La découpe au laser est une technologie efficace en général, mais elle est particulièrement utile pour découper les diamants, car rien d'autre ne peut les découper (ni même les rayer) !
Faible coefficient de frottement
Lefrottement sur un matériau est causé par des irrégularités microscopiques à la surface de ce matériau. La structure du diamant est une structure solide très serrée qui ne se brise pas facilement, même au niveau moléculaire. Par conséquent, il présente très peu d'irrégularités de surface, même au niveau microscopique, ce qui lui confère un faible coefficient de frottement.
Conductivité thermique élevée
Le diamant peut conduire la chaleur très efficacement - même plus que certains métaux comme le cuivre. Cela est dû à la présence de liaisons rigides et d'atomes de carbone légers serrés les uns contre les autres.
Résistivité électrique élevée
Il n'y a pas d'électrons libres dans la structure du diamant (contrairement au graphite, un autre allotrope du carbone). Comme il n'y a pas d'électrons libres, il n'y a rien pour transporter la charge dans la structure. Cela se traduit par une résistivité électrique élevée.
Faible coefficient de dilatation thermique
Lecoefficient de dil atation thermique est un facteur qui indique la quantité de chaleur nécessaire pour dilater un matériau. Le diamant ne se dilate pas facilement sous l'effet de la chaleur en raison des fortes liaisons covalentes entre les atomes de carbone, et son coefficient de dilatation thermique est donc faible.
Faible réactivité chimique
Les atomes de carbone dans la structure du diamant sont très stables , ayant complété leur octuor et étant disposés dans une structure stable. Par conséquent, ils ne réagissent avec aucune substance, même à des températures élevées. En raison de leur faible réactivité chimique, les diamants sont très résistants à la corrosion.
Comme les diamants ne réagissent pas facilement avec quoi que ce soit, ils sont biologiquement compatibles. C'est en partie la raison pour laquelle ils ont connu un grand succès dans l'industrie de la joaillerie (en plus du fait qu'il s'agit d'un minéral rare).
Une grande transparence optique
La transparence optique signifie simplement que les diamants laissent passer les rayons lumineux. En raison de la structure cristalline du diamant, les rayons lumineux allant de la bande ultraviolette à la bande infrarouge peuvent facilement traverser le diamant.
Un cristal est un solide dans lequel les atomes sont disposés dans un ordre répétitif d'une certaine structure de base. Un matériau doté d'une structure cristalline est dit cristallin.
Utilisations du diamant
Les propriétés uniques du diamant lui permettent d'être utilisé dans diverses applications industrielles.
Bijoux
La dureté, la rareté, la durabilité et l'éclat du diamant en font un bijou attrayant.
Outils industriels
Seul un matériau plus dur que l'autre peut le rayer ou le couper. Et il n'y a pas de matériau plus dur que le diamant, ce qui en fait un excellent matériau pour les outils de coupe comme les mèches, les fraises, les meules, les scies, les outils de polissage, etc.
Dissipateurs de chaleur
Les dissipateurs de chaleur sont des échangeurs de chaleur utilisés pour refroidir un composant. Les diamants conduisent très efficacement la chaleur et peuvent donc chauffer et refroidir facilement et rapidement. C'est pourquoi ils sont utilisés dans les dissipateurs de chaleur.
Fenêtres en diamant
Il ne s'agit pas de fenêtres de maison, mais de fenêtres de grandes machines laser, de chambres à vide et d'appareils de radiographie. Ces fenêtres ont une membrane de diamant très fine. C'est une application utile car l'utilisation du diamant dans ces membranes les rend durables et résistantes à la chaleur et à l'abrasion.
Gravure
Le diamant est utilisé dans la gravure des pierres dures comme le granit et le quartz.
Équipement audio
Les diamants sont utilisés dans les aiguilles des tourne-disques et dans l'équipement des DJ. On pense également que le diamant améliore l'audio car les dômes en diamant peuvent vibrer rapidement sans déformer les ondes audio et diminuer la qualité.
Matériel médical
Les diamants sont utilisés dans les outils dentaires. Les nano-diamants sont utilisés dans le traitement du cancer. Les diamants peuvent également servir à fabriquer des implants oculaires bioniques pour aider les malvoyants.
Symbole du diamant en chimie
Le symbole du diamant en chimie est C, car il est composé uniquement d'atomes de carbone avec une organisation spécifique.
Diamant - Points clés
- Lediamant est un allotrope du carbone. Il se forme naturellement.
- La formule empirique du diamant est C. Il est très dur, c'est le matériau le plus dur au monde.
- Lesatomes de carbone ont des liaisons covalentes dans la structure du diamant. Chaque atome de carbone forme des liaisons simples avec 4 atomes de carbone. Ils sont disposés selon une géométrie tétraédrique dans la structure du Diamant.
- Il a une conductivité thermique élevée.
- Il présente une résistivité électrique élevée. Pas d'électrons libres → pas de flux de charge → pas de flux de courant.
- Faible réactivité chimique.
- Résistance élevée à la corrosion.
- Faible coefficient de dilatation thermique.
- Large transparence optique. Permet à la lumière de longueur d'onde allant de l'ultraviolet à l'infrarouge de se traverser.
- Faible coefficient de frottement.
- Le diamant est utilisé en bijouterie, dans les outils industriels tels que les outils de coupe, les outils de meulage, les outils de polissage etc..., les équipements médicaux, les équipements audio, les dissipateurs de chaleur. Il est également utilisé pour graver les pierres dures telles que le granit et le quartz.
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