Introduction à la Chimie
Objectif d’apprentissage
- Décrire les propriétés des allotropes du carbone.
Points clés
- Le diamant est un allotrope bien connu du carbone qui présente une dureté et une dispersion élevée de la lumière. C’est le minéral naturel le plus dur connu et trouve des applications dans la coupe, le perçage et les bijoux, et comme matériau semi-conducteur potentiel.
- Le graphène est une couche unique d’atomes de carbone disposés dans un plan; des couches de graphène constituent le graphite. Le graphène est un matériau d’intérêt en raison de sa grande mobilité électronique et de ses applications possibles en électronique.
- Les fullerènes sont une classe d’allotropes carbonés dans lesquels le carbone prend la forme d’une sphère creuse, d’un ellipsoïde ou d’un tube. Cette classe de matériaux comprend les nanotubes de carbone, les boules de buckyball et les nanobuds nouvellement découvertes.
Terme
- allotropesdifférentes formes d’un élément chimique.
L’allotropie est la propriété de certains éléments chimiques d’exister sous deux ou plusieurs formes différentes, ou allotropes, lorsqu’ils sont trouvés dans la nature. Il existe plusieurs allotropes de carbone.
Diamant
Le diamant est probablement l’allotrope de carbone le plus connu. Les atomes de carbone sont disposés dans un réseau, qui est une variation de la structure cristalline cubique centrée sur la face. Il a des qualités physiques superlatives, dont la plupart proviennent de la forte liaison covalente entre ses atomes. Chaque atome de carbone d’un diamant est lié de manière covalente à quatre autres carbones dans un tétraèdre. Ces tétraèdres forment ensemble un réseau tridimensionnel d’anneaux de carbone à six chaînons dans la conformation de la chaise, permettant une déformation à angle de liaison nul. Ce réseau stable de liaisons covalentes et d’anneaux hexagonaux est la raison pour laquelle le diamant est si incroyablement fort en tant que substance.
En conséquence, le diamant présente la dureté et la conductivité thermique les plus élevées de tous les matériaux en vrac. De plus, son treillis rigide empêche la contamination par de nombreux éléments. La surface du diamant est lipophile et hydrophobe, ce qui signifie qu’il ne peut pas être mouillé par l’eau mais peut être dans l’huile. Les diamants ne réagissent généralement pas avec les réactifs chimiques, y compris les acides forts et les bases. Les utilisations du diamant incluent la coupe, le perçage et le meulage; bijoux; et dans l’industrie des semi-conducteurs.
Graphite
Le graphite est un autre allotrope du carbone; contrairement au diamant, il est un conducteur électrique et un semi-métal. Le graphite est la forme de carbone la plus stable dans des conditions standard et est utilisé en thermochimie comme état standard pour définir la chaleur de formation des composés carbonés. Il existe trois types de graphite naturel:
- Graphite cristallin en flocons: particules isolées, plates, en forme de plaque à bords hexagonaux
- Graphite amorphe: particules fines, résultat du métamorphisme thermique du charbon; parfois appelé méta-anthracite
- Graphite en grumeaux ou en veines: se produit dans les veines de fissures ou les fractures, apparaît sous la forme d’excroissances d’agrégats cristallins fibreux ou aciculaires
Le graphite a une structure plane en couches. Dans chaque couche, les atomes de carbone sont disposés dans un réseau hexagonal avec une séparation de 0,142 nm et la distance entre les plans (couches) est de 0,335 nm. Les deux formes connues de graphite, alpha (hexagonal) et bêta (rhomboédrique), ont des propriétés physiques très similaires (sauf que les couches s’empilent légèrement différemment). Le graphite hexagonal peut être plat ou bouclé. La forme alpha peut être convertie en forme bêta par traitement mécanique, et la forme bêta redevient la forme alpha lorsqu’elle est chauffée au-dessus de 1300 ° C. Le graphite peut conduire l’électricité en raison de la vaste délocalisation des électrons dans les couches de carbone; comme les électrons sont libres de se déplacer, l’électricité se déplace dans le plan des couches. Le graphite a également des propriétés autolubrifiantes et lubrifiantes à sec. Le graphite a des applications dans les matériaux prothétiques contenant du sang et les matériaux résistants à la chaleur car il peut résister à des températures allant jusqu’à 3000 ° C.
Une seule couche de graphite est appelée graphène. Ce matériau présente des propriétés électriques, thermiques et physiques extraordinaires. C’est un allotrope de carbone dont la structure est une feuille plane unique d’atomes de carbone liés à sp2 qui sont densément emballés dans un réseau cristallin en nid d’abeille. La longueur de liaison carbone-carbone dans le graphène est de ~ 0.142 nm, et ces feuilles s’empilent pour former du graphite avec un espacement interplanaire de 0,335 nm. Le graphène est l’élément structurel de base des allotropes de carbone tels que le graphite, le charbon de bois, les nanotubes de carbone et les fullerènes. Le graphène est un semi-métal ou un semi-conducteur à espace nul, ce qui lui permet d’afficher une mobilité électronique élevée à température ambiante. Le graphène est une nouvelle classe de matériaux passionnante dont les propriétés uniques en font l’objet de recherches en cours dans de nombreux laboratoires.
Carbone amorphe
Le carbone amorphe désigne le carbone qui n’a pas de structure cristalline. Même si du carbone amorphe peut être fabriqué, il existe encore des cristaux microscopiques de carbone de type graphite ou diamant. Les propriétés du carbone amorphe dépendent du rapport des liaisons hybridées sp2 sur sp3 présentes dans le matériau. Le graphite est constitué uniquement de liaisons hybridées sp2, tandis que le diamant est constitué uniquement de liaisons hybridées sp3. Les matériaux riches en liaisons hybridées sp3 sont appelés carbone amorphe tétraédrique (en raison de la forme tétraédrique formée par les liaisons hybridées sp3) ou carbone de type diamant (en raison de la similitude de plusieurs de ses propriétés physiques avec celles du diamant).
Les fullerènes et les nanotubes
Les nanomatériaux de carbone constituent une autre classe d’allotropes de carbone. Les fullerènes (également appelés buckyballs) sont des molécules de tailles variables composées entièrement de carbone qui prennent la forme de sphères creuses, d’ellipsoïdes ou de tubes. Les buckyballs et les buckytubes ont fait l’objet d’intenses recherches, à la fois en raison de leur chimie unique et de leurs applications technologiques, en particulier en science des matériaux, en électronique et en nanotechnologie. Les nanotubes de carbone sont des molécules de carbone cylindriques qui présentent une résistance extraordinaire et des propriétés électriques uniques et sont des conducteurs efficaces de chaleur. Les nanobuds de carbone sont des allotropes nouvellement découverts dans lesquels des « bourgeons » de type fullerène sont fixés de manière covalente aux parois latérales extérieures d’un nanotube de carbone. Les nanobuds présentent donc des propriétés à la fois des nanotubes et des fullerènes.
Carbone vitreux
Le carbone vitreux ou vitreux est une classe de carbone largement utilisée comme matériau d’électrode en électrochimie ainsi que dans les prothèses et les creusets à haute température. Ses propriétés les plus importantes sont la résistance à haute température, la dureté, la faible densité, la faible résistance électrique, le faible frottement, la faible résistance thermique, la résistance extrême aux attaques chimiques et l’imperméabilité aux gaz et aux liquides.
Autres allotropes
Les autres allotropes du carbone comprennent la nanofoame de carbone, qui est un assemblage de grappes de faible densité d’atomes de carbone enchaînés dans une bande tridimensionnelle lâche; carbone atomique et diatomique pur; et carbone acétylénique linéaire, qui est un polymère de carbone unidimensionnel de structure – (C::: C) n-.