Graphite
| Graphite CatégorieI:Éléments natifs[1] | |
 Graphite natif | |
| Général | |
|---|---|
| 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 |
| Identification | |
| Masse formulaire[2] | 12,0107 ± 0,0008 uma C 100 %, |
| Couleur | gris métallique; gris foncé; noir |
| Système cristallin | hexagonal |
| Réseau de Bravais | primitif P |
| Classe cristallineetgroupe d'espace | dihexagonale dipyramidale; P 63/mmc |
| 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 | 2,09-2,23[3]g/cm3 |
| Température de fusion | point de sublimation[3]:3 652°C |
| Solubilité | dans l'eau: insoluble[3] |
| Propriétés physiques | |
| Magnétisme | aucun |
| Radioactivité | aucune |
| Précautions | |
| SIMDUT[4] | |
 D2A, |
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| Unités duSI&CNTP,sauf indication contraire. | |
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Legraphiteest une espèceminéralequi est, avec lediamant,lalonsdaléiteet lachaoite,l'un desallotropesnaturels ducarbone.Le graphite est dit naturel quand il provient d'une mine et synthétique quand il est issu de lapyrolysedehouilleou decoke de pétrole.
Sa formule chimique est « C » mais les formes natives permettent de retrouver des traces d'hydrogène(« H »), d'azote(« N »), d'oxygène(« O »), desilicium(« Si »), d'aluminium(« Al »), defer(« Fe ») ou encore d'argile.
En raison de son importance industrielle (pour les batteries de type lithium-ions » notamment) il est maintenant considéré comme matériau critique de la transition énergétique, inclu dans une première liste de criticité en Europe.
Découverte et étymologie
[modifier|modifier le code]Les gisements historiques sont les mines britanniques deSeathwaite(en)exploitées pour confectionner les mines de crayon dès leXVIIesiècle. Comme ce minéral ressemble auplombque l'on utilise alors pour dessiner ou écrire, il reçoit le nom deplombagine[5].La plombagine remplace progressivement lamine de plombdans les crayons. Ce n'est qu'en 1779 que le chimiste suédoisCarl Wilhelm Scheeleanalyse 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].
Le minéralogiste allemandAbraham Gottlob Wernerinvente[7]le terme « graphite » en 1789, s'inspirant du grecγράφω/gráphô,« écrire ».
Gîtologie
[modifier|modifier le code]C'est unélément natifdont les gîtes se sont formés aux dépens de roches carbonées (roches riches en carbone, du typecharbon). Constitué de carbone pur, il correspond au degré ultime dehouillification[8]atteint dans des conditions demétamorphisme régionaloude contact(pegmatites ou gîtes hydrothermaux dans l'auréole de contact de certains granites)[9].Il peut aussi se former par réduction descarbonates.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[9]».
Il est aussi présent dans les météorites.
AuXVIIIesiècle, la prospection de gisements riches en charbon conduit à interpréter à tort les roches graphiteuses (schistes, quartzites), de teinte noirâtre, comme étant charbonneuses[10].
Cristallographie
[modifier|modifier le code]-
Structure du graphite. -
Maille élémentaire.
Lastructuredu graphite est constituée de feuillets hexagonaux non compacts, nommésgraphènes,séparés d'environ0,336nmle long de la direction de leur normale. Dans chaque feuillet, chaque atome de carbone est fortement lié par desliaisons covalentesde type sigma pour ses 3 électrons sp2,et desliaisons covalentesde type π pour son autre électron p, Ces liaisons π sont desliaisons conjuguéesavec 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 typeLiaison de van der Waals,ce qui expliquerait leclivageet la faibledureté.Par contre ceci est mis en doute dans des travaux récents.[réf. nécessaire][11].
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'éclatsubmétallique; sa dureté est faible, entre 1 et 2 sur l'échelle deMohs.
En raison de sa structure en feuillets, toutes les propriétés physiques du graphite sontanisotropes.En particulier, laconductivité électriqueest très différente dans le plan des feuillets et dans la direction perpendiculaire.
Polytypisme
[modifier|modifier le code]Le graphite existe en deuxpolytypes:
- graphite-2H,système cristallinhexagonal,classe cristallinedihexagonale-bipyramidale,groupe d'espaceP63/mmc,empilement de type ABAB où le plan B est translaté depar rapport au plan A. Bien que sa structure soit analogue à celle des métaux qui cristallisent avec empilement hexagonal compact, le graphite est unnon-métal.Il pos sắc de une certaineconductivité électrique,sarésistivitéest de 50 µΩ.m, soit 2900 fois celle ducuivre.
- graphite-3R,trigonalàréseaurhomboédrique, empilement de type ABCABC. Lastructurerhomboédrique 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.
Lecharbonexiste dans tous les états intermédiaires entre charbonamorpheet graphite hexagonal. On parle de graphite « lubricostratique » (du latinlubricare,« rendre glissant ») quand les couches sont déplacées parallèlement au hasard, et de graphite « turbostratique » (du latinturbo,« tourbillon ») si elles sont aussi tournées au hasard.
Synonymie
[modifier|modifier le code]- crayon de plomb[12]
- graphitoid (Shepard)
- mélangraphite[13]
- mica des peintres[14]
- mine de plomb[15]
- plombagine[16]
Variété
[modifier|modifier le code]- cliftonite(Fletcher): octaèdres de graphite enpseudomorphosedekamacite.Cette variété a un temps été considérée comme unallotropedu carbone, voire comme une pseudomorphose après lediamant.Elle se rencontre dans certaines météorites de fer.
Utilisations
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Le graphite a de nombreuses applications industrielles, sous ses formes naturelles et/ou synthétiques:
- construction mécanique: pièces de frottement, joints d'étanchéité, produits lubrifiants;
- construction électrique:balais de moteurs;
- commeréducteur,notamment ensidérurgie(cokedeshauts-fourneaux);
- commeélectrode,par exemple en sidérurgie (acier électrique);
- comme cathode, par exemple dans l'industrie d'électrolyse de l'aluminium;
- comme cathode dans lagalvanoplastieet particulièrement lagalvanotypie;
- commemodérateurdans desréacteurs nucléaires;
- commeadsorbant,dans lesfiltresà « charbon actif »;
- comme conducteur électrique (pencil mod,bombe au graphite);
- comme échangeur de chaleur pour le traitement d'acide chlorhydrique (fabrication pigment de peinture);
- comme matériau principal de lafibre de carbone;
- comme matériau principal des raquettes de badminton dans la tige et le cadre.
Il est également utilisé en médecine comme absorbant en cas d'intoxicationpar voie orale et en usage militaire pour endommager les centrales électriques commebombe au graphite.
Dans lesarts plastiques,il est utilisé pour ledessin.Il sert en particulier à fabriquer des crayons, souvent sous l'appellation incorrecte de «mine de plomb».
L'utilisation domestique la plus courante est lecrayon.
Il peut aussi être utilisé comme composite d'alliage (avec leTitaneouFibre de verre) dans la fabrication des cadres de raquettes de tennis (existe enAluminiumaussi).
Une forme pyrolytique du graphite est utilisée dans la fabrication de grilles pour lestétrodesde très grande puissance dans le domaine de laradiodiffusion.On peut citer par exemple la tétrode TH539 qui a été utilisée jusqu'ensur l'un des deux blocsémetteurs ondes longues d'Allouisde 1 000 kW.
Le graphite naturel fait partie des matériaux industriels critiques en France et dans l'Union européenne[17],[18].
Production et origines
[modifier|modifier le code]Le graphite synthétique est généralement élaboré par leprocédé Acheson:les principaux producteurs sont, en 2020,Showa Denko Carbon,SGL Carbon,Schunk Kohlenstofftechnik(Allemagne),Imerys(France),Tōkai Carbon(Japon) etMorgan Advanced Materials(Grande-Bretagne).
La Chine est le premier producteur avec en 2023 77 % des 1 600 000tde graphite naturel produites dans le monde (1 200 000t); elle produit en outre 54 % du graphite synthétique (1 300 000t/an) devant le japon (400 000t) et l'Inde (200 000t). La Chine en est aussi le premier consommateur, au point qu'elle doit en importer du graphite (presque 93 000 tonnes en 2022, venant surtout du Mozambique et moindrement de Madagascar et Tanzanie.
Les ressources économiques exploitables à l'heure actuelle (autour de 280 millions de tonnes dans le monde) seraient situées pour 28 % en Chine, 26 % au Brésil, 9 % au Mozambique et 9 % également à Madagascar.
En 2019, l'agence australienne d'énergie renouvelable (ARENA) a annoncé 9,41 millions de dollars australiens d'aides pour un projet du Groupe Hazer (compagnie d'énergie renouvelable australienne) de conversion dubiogaz(ici issu de méthanisation de boues d’épuration) en graphite et enhydrogène(usine démonstratrice de $10,72 millions USD à Munster, Australie de l'Ouest)[19].
Notes et références
[modifier|modifier le code]- Laclassification des minérauxchoisie estcelle 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», surchem.qmul.ac.uk.
- GRAPHITE (NATUREL),Fiches internationales de sécurité chimique
- «Graphite naturel» dans la base de données de produits chimiquesReptoxde laCSST(organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
- Jean-Claude Boulliard,Les Minéraux,CNRS Éditions,,p.81.
- Francis Ribemont,Au-delà de l'image: les techniques du dessin révélées par la science,Musée des beaux-arts de Rennes,,p.121.
- (de)C. A. S. Hoffmann et Alexander Wilhelm Köhler (dir.), «Mineralsystem des Herrn Inspektor Werners»,Bergmännisches Journal,Freyberg, Crazische Buchhandlung,vol.1,,p.369–386(lire en ligne[PDF]).
- Alain Foucault,Jean-François Raoult,Dictionnaire de Géologie,Dunod,,p.67.
- Louis Chauris,«Propos sur le graphite en Bretagne»,Penn ar Bed,no207,,p.42.
- Louis Chauris, «Propos sur le graphite en Bretagne»,Penn ar Bed,no207,,p.43.
- (en)Y. J.Dappe,M. A.Basanta,F.Floreset 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,no20,,articleno205434(DOI10.1103/PhysRevB.74.205434
,lire en ligne,consulté le).
- Pierre-Joseph Buc'hoz,Dictionnaire minéralogique et hydrologique de la France,vol.3,,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.
- «Graphite naturel (C)», surmineralinfo.fr,BRGM(consulté le).
- «Matières premières critiques: Cinquième liste 2023 des matières premières critiques pour l’UE», sursingle-market-economy.ec.europa.eu,Commission européenne(consulté le).
- Liz Gyekye (2019)« Australia backs tech that converts biogas into hydrogen and graphite »,Biomarketing sights; 4 sept 2019.
Voir aussi
[modifier|modifier le code]Liens externes
[modifier|modifier le code]
- Ressource relative à la santé:
- Ressource relative aux beaux-arts:
- Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes:
