Graphite

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Graphite
Catégorie I : Éléments natifs[1]
Image illustrative de l’article Graphite
Graphite natif
Général
Numéro CAS 7782-42-5
Classe de Strunz
Classe de Dana
Formule chimique C   [Polymorphes]C
Identification
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
Propriétés optiques
Indice de réfraction w=1.93-2.07.
Biréfringence Uniaxial (-)
Fluorescence ultraviolet aucune
Transparence opaque
Propriétés chimiques
Masse volumique 2,092,23 g·cm-3[3] g/cm³
Température de fusion Point de sublimation : 3 652 °C[3]. °C
Solubilité dans l'eau : insoluble[3]
Propriétés physiques
Magnétisme aucun
Radioactivité aucune
Précautions
SIMDUT[4]
D2A : Matière très toxique ayant d'autres effets toxiques
D2A,

Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

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.

Inventeur et étymologie[modifier | modifier le code]

  • Les gisements historiques sont les mines britanniques de Seathwaite (en) exploitées pour confectionner les mines de crayon dès le XVIIe siècle. Comme ce minéral ressemble au plomb que l'on utilise alors pour dessiner ou écrire, il reçoit le nom de plombagine[5]. La plombagine remplace progressivement la mine de plomb dans les crayons. Ce n'est qu'en 1779 que le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele analyse la plombagine (qu'il utilise pour écrire) et prouve qu'elle est composée de carbone pur et non de plomb, montrant que ce minerai est une forme cristalline particulière du carbone[6].
  • 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 dont les gîtes se sont formés aux dépens de roches carbonées (roches riches en carbone, du type charbon). Constitué de carbone pur, il correspond au degré ultime de houillification[7] atteint dans des conditions de métamorphisme régional ou de de contact (pegmatites ou gîtes hydrothermaux dans l'auréole de contact de certains granites)[8]. Il peut aussi se former par réduction des carbonates. Il se présente dans les gîtes « sous forme de masses lamellaires micacées, foliacées, compactes ou pulvérulentes ; rarement en lamelles hexagonales ; souvent en paillettes irrégulières disséminées. Il offre un toucher gras, tache les doigts et laisse sur le papier une trace noirâtre[8] ».
Il est aussi présent dans les météorites.

Au XVIIIe siècle, la prospection de gisements riches en charbon conduit à interpréter à tort les roches graphiteuses (schistes, quartzites), de teinte noirâtre, comme étant charbonneuses[9].

Cristallographie[modifier | modifier le code]

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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][10].

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[11]
  • graphitoid (Shepard)
  • mélangraphite[12]
  • mica des peintres[13]
  • mine de plomb[14]
  • plombagine[15]

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 :

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]

  1. La classification des minéraux choisie est celle de Strunz, à l'exception des polymorphes de la silice, qui sont classés parmi les silicates.
  2. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  3. a b et c GRAPHITE (NATUREL), fiche(s) de sécurité du Programme International sur la Sécurité des Substances Chimiques, consultée(s) le 9 mai 2009
  4. « 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
  5. Jean-Claude Boulliard, Les Minéraux, CNRS Editions, , p. 81.
  6. Francis Ribemont, Au-delà de l'image: les techniques du dessin révélées par la science, Musée des beaux-arts de Rennes, , p. 121.
  7. Alain Foucault, Jean-François Raoult, Dictionnaire de Géologie, Dunod, , p. 67.
  8. a et b Louis Chauris, « Propos sur le graphite en Bretagne », Penn ar Bed, no 207,‎ , p. 42.
  9. Louis Chauris, « Propos sur le graphite en Bretagne », Penn ar Bed, no 207,‎ , p. 43.
  10. 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, consulté le 8 mars 2016)
  11. Pierre-Joseph Buc'hoz - Dictionnaire mineralogique et hydrologique de la France, Volume 3 1774 p.590
  12. Albert Auguste Cochon de Lapparent - Cours de minéralogie 1908 p.737
  13. Auguste Drapiez - Dictionnaire classique des sciences naturelles 1840 p.330
  14. Charles S. Sonnini - Nouveau dictionnaire d'histoire naturelle Volume 20 1818 - p.505
  15. Louis Jacques Thenard - Traité de chimie élémentaire, théorique et pratique, Volume 1 1817 p.378

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Liens externes[modifier | modifier le code]