Le graphite se forme naturellement dans des conditions de pression et de température élevées entre la croûte terrestre et le manteau. On trouve du graphite à l'état naturel en Chine, au Mexique, au Canada, en Inde, au Sri Lanka et dans d'autres pays.
- Cet article est consacré au graphite.
- Nous verrons sa structure et ses propriétés.
- Ensuite, nous analyserons les différents types de graphite.
- Nous verrons les utilisations du graphite pour terminer.
Structure du graphite
Pour comprendre la structure d'une molécule, il faut d'abord savoir de quels éléments elle est constituée. Or, le graphite est tout simplement constitué de carbone. C'est tout ! La formule empirique du graphite est la suivante Tu trouves ça bizarre ? Ce n'est pas le cas si tu comprends que de tous les éléments du tableau périodique, le carbone possède la capacité spéciale de former de grandes molécules avec de longues chaînes de carbone.
Sais-tu que le graphite, le charbon de bois et le diamant sont des allotropes du carbone ? La formule empirique de ces trois éléments est la suivante . Ils ne sont tous qu'une grosse molécule de carbone ! La seule différence entre eux est la structure moléculaire, c'est-à-dire l'arrangement fondamental des atomes. Dans cet article, tu découvriras la structure du graphite. Pour en savoir plus sur la structure du diamant, rends-toi sur le site du diamant.
Lesallotropes sont les différentes formes structurelles sous lesquelles un même élément peut exister.
Le carbone a une configuration électronique de 1s2 2s2 2p2. Dans ladeuxième enveloppe du carbone (l'enveloppe de valence), le carbone possède 4 électrons. Il a besoin de 4 électrons supplémentaires pour compléter son octuor et avoir une configuration électronique stable. Pour ce faire, le carbone établit 4 liaisons co valentes. En établissant 4 liaisons covalentes, le carbone partage 4 de ses électrons avec d'autres atomes, et en retour, d'autres atomes partagent 4 électrons avec le 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 qui se forme lorsque des éléments partagent des paires d'électrons entre eux. Pour en savoir plus sur les liaisons covalentes, consulte la rubrique Liaisons covalentes.
Fig. 1 : Structure du graphite | Flash Education
Fig. 2 : Vue de dessus d'une couche de graphite | Engineering Choice
Dans le graphite, chaque atome de carbone n'établit que trois liaisons avec d'autres atomes de carbone. Il en résulte la formation d'anneaux hexagonaux de 6 atomes de carbone et de couches de ces anneaux. Tu dois te dire que si le carbone n'établit que trois liaisons covalentes, il doit avoir un électron libre non apparié. Si tu as pensé à cela, tu as raison. Chaque atome de carbone possède un électron libre non apparié dans sa structure. Ces électrons non appariés forment de faibles liaisons intermoléculaires entre les couches de graphite. Ces liaisons intermoléculaires faibles sont représentées par les lignes bleues en pointillés sur la figure. Mais ces électrons libres non appariés sont délocalisés dans la structure du graphite. Cela signifie qu'ils ne sont pas liés à un seul atome de carbone et qu'ils sont libres de se déplacer dans toute la structure. Grâce à ce phénomène unique, le graphite est capable de conduire l'électricité !
Tu peux vérifier toi-même le comportement conducteur du graphite. Fais un circuit électrique avec une mine de crayon et tu verras que le circuit est effectivement fermé !
Propriétés du graphite
Tu as déjà vu quelques propriétés du graphite en discutant de sa structure. Dans cette section, nous allons aborder d'autres de ses propriétés.
Bon conducteur d'électricité et de chaleur
Tu as déjà vu dans la section précédente ce qui fait du graphite un bon conducteur d'électricité. L'électron libre non apparié de chaque atome de carbone est délocalisé et peut se déplacer librement dans toute la structure du graphite. Ces électrons facilitent le flux de charge et donc le flux de courant électrique. En raison du même phénomène, le graphite est également un bon conducteur de chaleur.
Le graphite n'est pas un métal mais il est très similaire aux métaux en raison des propriétés qu'il partage avec eux. Les métaux sont également de bons conducteurs de chaleur, et les métaux ont également des électrons libres, ce qui en fait de bons conducteurs d'électricité - deux propriétés que possède également le graphite.
Point de fusion et d'ébullition élevé
Les atomes de carbone partagent des liaisons covalentes très fortes dans la structure du graphite. La disposition en anneaux hexagonaux contribue également à la solidité de la structure. C'est pourquoi il faut beaucoup d'énergie pour rompre les liaisons, ce qui contribue à un point de fusion et d'ébullition élevé.
Doux et glissant
Les atomes de carbone dans la structure du graphite n'ont pas de liaisons covalentes entre les couches. Les couches sont maintenues ensemble par de faibles forces intermoléculaires. C'est pourquoi les couches peuvent facilement glisser les unes sur les autres. Cette propriété rend le graphite doux et idéal pour être utilisé comme lubrifiant.
Lorsque tu écris avec ton crayon, la mine de graphite du crayon gratte le papier. En raison de la nature glissante des couches de graphite, une partie du graphite reste sur le papier, ce qui explique pourquoi tu peux "écrire" avec un crayon.
Stabilité thermique élevée
Le graphite peut être chauffé à des températures très élevées sans que cela ne l'affecte. Il est considéré comme thermiquement stable. La température d'ignition du graphite est de 400oC. En raison de sa capacité à résister à des températures élevées, il est parfois utilisé comme bouclier thermique dans les réacteurs nucléaires.
Bien que le graphite ne soit pas reconnu comme hautement inflammable, il peut s'enflammer dans un environnement très chaud et riche en oxygène. En l'absence d'oxygène, il peut être chauffé jusqu'à 3000oC.
Types de graphite
Il existe deux types de graphite en fonction de la variation de sa structure. Les couches de graphite peuvent être disposées l'une par rapport à l'autre de deux façons. Selon cette disposition, le graphite est de deux types : le graphite alpha et le graphite bêta.
Graphite Alpha
Fig. 3 : Empilement ABA ou Bernal dans le graphite | ResearchGate
Dans le graphite alpha, les couches suivantes sont disposées de façon ABABAB, comme le montre la figure. Chaque couche alternée se trouve dans la même position. La moitié des atomes d'une couche se trouve directement au-dessus des atomes de la couche du dessous, et l'autre moitié des atomes se trouve directement au-dessus du centre d'un hexagone de la couche du dessous. Cette disposition des couches est également appelée empilement bernal des couches de graphite.
Graphite bêta
Fig. 4 : ABC ou empilement rhomboédrique dans le graphite | ResearchGate
Dans le graphite Beta, les couches sont empilées de façon ABCABC, comme le montre la figure. Une couche sur trois est dans la même position. Cette disposition des couches est également connue sous le nom d'empilement rhomboédrique des couches de graphite.
Utilisations du graphite
Le graphite a des utilisations variées en raison de ses propriétés uniques.
- Tu connais déjà leur utilisation dans les crayons. Les noyaux des crayons sont fabriqués à partir d'un mélange de graphite et d'argile. Les crayons utilisent leur propriété de faibles forces intermoléculaires et la façon dont les couches peuvent glisser les unes sur les autres et se déposer sur une surface si l'on "écrit" dessus.
- Au contact de l'humidité de l'atmosphère, les propriétés lubrifiantes du graphite s'accroissent. C'est pourquoi le graphite est utilisé dans les garnitures de freins automobiles.
- Combinant ses propriétés lubrifiantes et sa capacité à conduire l'électricité, le graphite est utilisé dans les moteurs électriques pour déplacer les contacts électriques. Cela permet de fermer le circuit électrique même avec des contacts mobiles tout en réduisant les frottements.
- Le graphite est utilisé dans la fabrication de l'acier, le traitement du fer et la fabrication du verre en raison de sa capacité à résister à des températures élevées sans se modifier chimiquement.
- Les batteriesau lithium-ion, utilisées dans les téléphones portables, utilisent le graphite comme anode.
- Legraphène, un dérivé du graphite, est l'un des matériaux les plus résistants au monde - il est plus solide que l'acier tout en étant beaucoup plus léger. Le graphène est constitué de fines feuilles de graphite roulées.
Graphite - Points clés
- Le graphite est un allotrope du carbone. La formule empirique du graphite est .
- Le graphite se forme dans des conditions de chaleur et depression élevées entre la croûte terrestre et le manteau supérieur.
- Le graphite est constitué de liaisons covalentes entre les atomes de carbone.
- Dans la structure du graphite, chaque atome de carbone forme des liaisons covalentes avec trois autres atomes de carbone. Cela forme des anneaux hexagonaux joints de 6 atomes de carbone. La structure du graphite est constituée de couches de feuilles de ces anneaux joints.
- Comme le carbone ne forme que 3 liaisons covalentes au lieu de 4, chaque atome de carbone a un électron libre non apparié.
- L'électron libre non apparié est délocalisé dans la structure du graphite, c'est-à-dire qu'il est libre de se déplacer dans toute la structure. Cela confère au graphite la propriété de conduire l'électricité.
- En raison des faibles forces intermoléculaires entre les couches, celles-ci peuvent glisser les unes sur les autres. Cette propriété du graphite lui permet d'être utilisé dans un certain nombre d'applications, notamment dans les noyaux de crayons et comme lubrifiants.
- Les atomes de carbone du graphite ont des liaisons covalentes fortes qui nécessitent beaucoup d'énergie pour être rompues. C'est pourquoi le graphite a un point de fusion et d'ébullition élevé.
- Le graphite a une grande stabilité thermique, c'est-à-dire qu'il peut supporter des températures élevées sans changer chimiquement. En l'absence d'oxygène, il peut résister à des températures allant jusqu'à 3000oC.
- Le graphite est également utilisé dans les moteurs électriques, les batteries, la fabrication de l'acier et du verre, le traitement du fer et les garnitures de freins automobiles.
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