Graphite
| Graphite Catégorie I : Éléments natifs[1] |
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| Numéro CAS | |
| Classe de Strunz |
1.CB.05a
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| Classe de Dana |
1.3.6.2
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| Formule chimique | C |
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| Masse formulaire[2] | 12,0107 ± 0,0008 uma C 100 %, |
| Couleur | gris métallique; gris foncé; noir |
| Classe cristalline et groupe d'espace | dihexagonale dipyramidale ; P 63/mmc |
| Système cristallin | hexagonal |
| Réseau de Bravais | primitif P |
| Macle | sur {1121} |
| Clivage | parfait sur {0001} |
| Cassure | Minéral sectile, conchoïdale, irrégulière |
| Habitus | massif, très rares cristaux |
| Faciès | cristaux hexagonaux |
| Échelle de Mohs | de 1,00 à 2,00 |
| Trait | gris acier; noir |
| Éclat | métallique; mat |
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| Indice de réfraction | w=1.93-2.07. |
| Biréfringence | Uniaxial (-) |
| Fluorescence ultraviolet | aucune |
| Transparence | opaque |
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| Masse volumique | 2,09–2,23 g·cm-3[3] |
| Température de fusion | Point de sublimation : 3 652 °C[3]. |
| Solubilité | dans l'eau : insoluble[3] |
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| Magnétisme | aucun |
| Radioactivité | aucune |
| Précautions | |
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 D2A, |
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Le graphite est une espèce minérale qui est, avec le diamant, la lonsdaléite et la chaoite, l'un des allotropes naturels du carbone.
Sa formule chimique est « C » mais les formes natives permettent de retrouver des traces d'hydrogène (« H »), d'azote (« N »), d'oxygène (« O »), de silicium (« Si »), d'aluminium (« Al »), de fer (« Fe ») ou encore d'argile.
Sommaire
Inventeur et étymologie[modifier | modifier le code]
- À la fin du XVIIIe siècle le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele a démontré que la plombagine (qu'il utilisait pour écrire) ne contenait pas de plomb et que ce minerai était une forme cristalline particulière du carbone.
- C'est le minéralogiste allemand Abraham Gottlob Werner qui a inventé le terme « graphite » en 1789, s'inspirant du grec γράφειν (graphein = écrire).
Gîtologie[modifier | modifier le code]
- C'est un élément natif qui se trouve surtout dans les sédiments de métamorphisme régional mais qui, selon les roches, peut se former aussi à partir du charbon organique, du magma ou par réduction des carbonates.
- Présent dans les météorites.
Cristallographie[modifier | modifier le code]
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Structure du graphite.
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Maille élémentaire.
La structure du graphite est constituée de feuillets hexagonaux non compacts, nommés graphènes, séparés d'environ 0,336 nm le long de la direction de leur normale. Dans chaque feuillet, chaque atome de carbone est fortement lié par des liaisons covalentes de type sigma pour ses 3 électrons sp2, et des liaisons covalentes de type π pour son autre électron p, Ces liaisons π sont des liaisons conjuguées avec les trois atomes voisins, les électrons y sont très mobiles ce qui explique la grande conductivité électrique et thermique ainsi que la couleur noire du graphite. Entre les feuillets les liaisons sont faibles et seraient de type Liaison de van der Waals, ce qui expliquerait le clivage et la faible dureté. Par contre ceci est mis en doute dans des travaux récents.[réf. nécessaire][5].
Propriétés physiques[modifier | modifier le code]
Le graphite est la forme stable du carbone à température et à pressions ordinaires.
L'apparence du graphite est celle d'un solide noir à l'éclat submétallique ; sa dureté est faible, entre 1 et 2 sur l'échelle de Mohs.
En raison de sa structure en feuillets, toutes les propriétés physiques du graphite sont anisotropes. En particulier, la conductivité électrique est très différente dans le plan des feuillets et dans la direction perpendiculaire.
Polytypisme[modifier | modifier le code]
Le graphite existe en deux polytypes :
- graphite-2H, système cristallin hexagonal, classe cristalline dihexagonale-bipyramidale, groupe d'espace P 63/mmc, empilement de type ABAB où le plan B est translaté de par rapport au plan A. Bien que sa structure soit analogue à celle des métaux qui cristallisent avec empilement hexagonal compact, le graphite est un non-métal. Il possède une certaine conductivité électrique, sa résistivité est de 50 µΩ.m, soit 2900 fois celle du cuivre.
- graphite-3R, trigonal à réseau rhomboédrique, empilement de type ABCABC. La structure rhomboédrique est instable : elle se produit par moulage et disparaît lors d'un recuit. On ne la trouve jamais comme forme pure, mais seulement comme tendance à l’empilement ABC dans les cristaux hexagonaux primaires.
Le charbon existe dans tous les états intermédiaires entre charbon amorphe et graphite hexagonal. On parle de graphite « lubricostratique » (du latin lubricare, « rendre glissant ») quand les couches sont déplacées parallèlement au hasard, et de graphite « turbostratique » (du latin turbo, « tourbillon ») si elles sont aussi tournées au hasard.
Synonymie[modifier | modifier le code]
- crayon de plomb[6]
- graphitoid (Shepard)
- mélangraphite[7]
- mica des peintres[8]
- mine de plomb[9]
- plombagine[10]
Variété[modifier | modifier le code]
- cliftonite (Fletcher) : octaèdres de graphite en pseudomorphose de kamacite. Cette variété a un temps été considérée comme un allotrope du carbone, voire comme une pseudomorphose après le diamant. Elle se rencontre dans certaines météorites de fer.
Utilisations[modifier | modifier le code]
Le graphite a de nombreuses applications industrielles, sous diverses formes naturelles ou synthétiques :
- construction mécanique : pièces de frottement, joints d'étanchéité, produits lubrifiants ;
- construction électrique : balais de moteurs ;
- comme réducteur, notamment en sidérurgie (coke des hauts-fourneaux) ;
- comme électrode, par exemple en sidérurgie (acier électrique) ;
- comme cathode, par exemple dans l'industrie d'électrolyse de l'aluminium ;
- comme cathode dans la galvanoplastie et particulièrement la galvanotypie ;
- comme modérateur dans des réacteurs nucléaires ;
- comme adsorbant, dans les filtres à « charbon actif ».
- comme conducteur électrique (Pencil Mod)
- comme échangeur de chaleur pour le traitement d'acide chlorhydrique (fabrication pigment de peinture)
Il est également utilisé en médecine comme absorbant en cas d'intoxication par voie orale et en usage militaire pour endommager les centrales électriques comme bombe au graphite.
Dans les arts plastiques, il est utilisé pour le dessin. Il sert en particulier à fabriquer des crayons, souvent sous l'appellation incorrecte de « mine de plomb ».
L'utilisation domestique la plus courante est le crayon.
Il peut aussi être utilisé comme composite d'alliage (Titane / Fibre de verre / Aluminium) dans la fabrication des cadres de raquettes de tennis.
Une forme pyrolytique du graphite est utilisée dans la fabrication de grilles pour les tétrodes de très grande puissance dans le domaine de la radiodiffusion. On peut citer par exemple la tétrode TH539 qui a été utilisée jusqu'en mars 2003 sur l'un des deux blocs émetteurs ondes longues d'Allouis de 1 000 kW.
Notes et références[modifier | modifier le code]
- La classification des minéraux choisie est celle de Strunz, à l'exception des polymorphes de la silice, qui sont classés parmi les silicates.
- Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
- GRAPHITE (NATUREL), fiche de sécurité du Programme International sur la Sécurité des Substances Chimiques, consultée le 9 mai 2009
- « Graphite naturel » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
- Y. J. Dappe, M. A. Basanta, F. Flores et J. Ortega, « Weak chemical interaction and van der Waals forces between graphene layers: A combined density functional and intermolecular perturbation theory approach », Physical Review B, vol. 74, , p. 205434 (DOI 10.1103/PhysRevB.74.205434, lire en ligne)
- Pierre-Joseph Buc'hoz - Dictionnaire mineralogique et hydrologique de la France, Volume 3 1774 p.590
- Albert Auguste Cochon de Lapparent - Cours de minéralogie 1908 p.737
- Auguste Drapiez - Dictionnaire classique des sciences naturelles 1840 p.330
- Charles S. Sonnini - Nouveau dictionnaire d'histoire naturelle Volume 20 1818 - p.505
- Louis Jacques Thenard - Traité de chimie élémentaire, théorique et pratique, Volume 1 1817 p.378
