8. Carbone, graphite et diamant

Introduction
Lorsqu’on pense au carbone, on pense souvent au dioxyde de carbone, le fameux CO2 causant l’effet de serre, ou bien au charbon, encore très utilisé pour la production d’énergie. En fait ces deux matières ne sont pas du carbone à proprement parler, mais plutôt des composés à base de carbone. Il s’agit de molécules contenant des atomes de carbone, mais aussi des atomes d’oxygène et aussi d’autres atomes dans le cas du charbon. Le dioxyde de carbone contient 27% de carbone, alors que les meilleurs charbons (l’anthracite en particulier) contiennent plus de 90% de carbone. La figure suivante montre la structure moléculaire d’un charbon de type anthracite:

Image : Loretta Jones, Peter Atkins,  » Chemia ogólna. Cząsteczki, materia, reakcje » tł. Jerzy Kuryłowicz, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2004.
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1521998

Dans ce diagramme de cette grosse molécule, chaque arête représente un atome de carbone. On peut y voir des atomes d’oxygène (O), d’hydrogène (H), d’azote (N) et même de soufre (S). Dans le présent article, on parlera plutôt du carbone élémentaire, c’est-à dire des molécules ne contenant que l’élément carbone dont le symbole est C. Ce qui est très particulier dans le cas du carbone, c’est que la façon dont ses atomes sont agencés dans les molécules donne des matériaux dont les propriétés sont extrêmement différentes, même si la composition chimique est identique (100% carbone).

Les deux principaux matériaux de carbone pur connus sont le graphite et le diamant. Le premier est noir, friable et mou, alors que le deuxième est incolore, brillant et le plus dur qu’on connait. On peut en voir une photo à la figure suivante :

Du point de vue chimique, tout ce qui distingue le graphite du diamant est l’arrangement des atomes de carbone dans les cristaux, comme on peut le voir à la figure suivante :

On voit que les atomes de carbone du diamant sont reliés entre eux dans les trois dimensions, alors que ceux du graphite ont des liens forts sur deux dimensions seulement. Ces plans peuvent donc glisser facilement les uns sur les autres.

Graphite
La structure moléculaire du graphite permettant à ses couches de glisser les unes sur les autres, rend le matériau friable, ce qui explique qu’on s’en sert pour fabriquer les mines de crayon. Ainsi, lorsqu’on le frotte sur une surface comme le papier, il y laisse des couches qui forment le tracé. Le graphite, lorsqu’il est réduit en poudre, est utilisé comme lubrifiant grâce à ce glissement facile des couches.


Le graphite est la forme stable du carbone à des températures et pressions ordinaires. Sa dureté est faible : 1 à 2 unités sur l’échelle de Mohs, alors que le fer est à 4 et le diamant est à 10. Le graphite est beaucoup utilisé pour fabriquer des électrodes car il est un excellent conducteur électrique. Il est aussi le constituant principal des fibres de carbone, comme on le verra plus loin dans le présent article.

Graphène
Comme on vient de le voir, le graphite est formé d’un empilement de plans de molécules de carbone en deux dimensions. Chacun de ces plans est appelé «graphène». Depuis quelques années, les scientifiques ont trouvé des moyens de séparer ces plans pour en placer une ou des couches sur un autre matériau solide. Cela en fait un matériau avec des propriétés très spéciales : très grande conductivité thermique (400 fois plus que le graphite) et une grande résistance mécanique. On en prévoit l’utilisation dans la fabrication des écrans souples, des transistors de dimension nanométrique et dans les batteries des voitures électriques. Ces dernières auraient une bien plus grande capacité et se rechargeraient plus vite.


Lorsque les plans de graphène sont repliés sur eux-mêmes en forme de cylindre, ils forment ce qu’on appelle des nanotubes de carbone. On peut en voir une représentation à la figure suivante :

Les conductivité électrique, conductivité thermique et résistance mécanique de ces nanotubes sont relativement élevées dans leur sens longitudinal. Ces molécules de carbone existent déjà en faible quantité dans la suie des foyers. On en connait l’existence depuis l’invention du microscope électronique à transmission, qui a permis d’en voir la structure.


Les nanotubes de carbone présentent des risques de pollution nanométrique. Étant donnée leur petite taille, ils peuvent facilement être absorbés par l’organisme et s’intercaler entre les cycles d’ADN, créant des risques de cancer. Des études récentes ont démontré des similarités avec les fibres d’amiante qui créent des mésothéliomes (forme virulente de cancer).


Lorsque les plans de graphène sont repliés sous forme de sphère, on parle alors de fullerènes. On peut en voir une représentation à la figure suivante:

Les fullerènes possèdent au moins 60 atomes de carbone disposés en polyèdres (hexagones et pentagones) de 0,7 nanomètre de diamètre. Ce type de composés de carbone serait abondant à la surface de la terre et dans l’univers. Ces structures peuvent se fabriquer dans un arc électrique généré entre deux électrodes de graphite.

Fibre de carbone
On entend souvent parler d’articles de sport en carbone : raquettes de tennis, cadres de vélo, planches à voile, pagaies, etc. Ces matériaux sont en fait des fibres de carbone incorporées dans d’autres matériaux, comme des polymères. Il s’agit donc de composites. Les fibres de carbone sont extrêmement fines (5 à 10 micromètres) et alignées parallèlement. Un exemple est présenté à la figure suivante:

Plusieurs milliers de fibres peuvent être enroulées ensemble pour former un fil afin de fabriquer des tissus. La fibre de carbone a une densité quatre fois plus faible que le fer. Elle a en plus une bonne conductivité thermique et électrique. Elle possède aussi de bonnes propriétés mécaniques : grande résistance à la traction et à la compression, tout en étant flexible. Ces propriétés en font donc un matériau de choix dans les équipements sportifs.

Diamant
Nous arrivons enfin au diamant. Il s’agit d’une espèce particulière du carbone qui se forme dans des conditions extrêmes de température et de pression. La plupart des diamants ont été formés à une profondeur de 140 à 190 km sous la surface terrestre, où règnent des pressions d’environ 50 000 fois celle de l’atmosphère et une température dépassant 1100oC ! La croissance de ces diamants s’est faite sur 1 à 3,3 milliards d’années. Ils ont ensuite remonté à la surface lors d’éruptions volcaniques.


Comme mentionné dans l’introduction du présent article, le diamant est le matériau le plus dur qu’on connaisse. Cela est dû à la force des liaisons chimiques entre les atomes de carbone dans les trois dimensions. Plus le diamant est pur, plus sa dureté est élevée. Parmi les propriétés du diamant, on note une très faible conductivité électrique (contrairement au graphite) et une conductivité thermique exceptionnelle; c’est pourquoi il paraît si froid au toucher, tout comme les métaux.


Du point de vue chimique, le diamant n’est pas stable aux conditions prévalant à la surface de la planète. Il se transforme progressivement en la forme la plus stable du carbone, soit le graphite. Heureusement, cela se passe si lentement
qu’on ne s’en aperçoit pas. Mais si on le chauffe à 1700 oC en absence d’oxygène, il se transforme rapidement en graphite. Entre 850 et 1000 oC, en présence d’air, il s’enflamme et se transforme en CO2. Le diamant n’est pas attaqué par les acides et les bases en solution aqueuse, mais il se dissout dans la soude fondue. On voit que le diamant n’est pas éternel!

Conclusion
On ne serait vraiment pas portés à penser que le graphite et le diamant ont exactement la même composition atomique, tellement leurs propriétés sont différentes. Avec la découverte relativement récente des formes de carbone comme les nanotubes et les fullerènes, on n’a pas fini d’en voir de nouvelles applications, qui s’annoncent surprenantes.


Bertrand Dubreuil, 20 avril 2021

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