ALLOTROPES DE CARBONE: CARBONE AMORPHE, GRAPHITE, GRAPHÈNES, NANOTUBES - CHIMIE - 2025

Les allotropes de carbone sont différentes formes physiques triables et lient leurs atomes. Chacun correspond à un solide avec ses propres caractéristiques particulières. Moléculairement et structurellement, ils se distinguent les uns des autres. Il existe deux types principaux de ces allotropes: cristallins et amorphes.

Les allotropes cristallins sont ceux qui ont un motif répétitif de leurs atomes dans l'espace. Pendant ce temps, dans les allotropes amorphes, les atomes sont disposés en désordre, sans qu'il y ait deux régions identiques dans le solide. Ainsi les premiers sont ordonnés et les seconds sont désordonnés.

Principaux allotropes de carbone. Source: Jozef Sivek

Parmi les cristallins se trouvent le diamant (a) et le graphite (e) par excellence. On observe sur l'image du haut différentes structures qui ont un aspect commun: elles ne sont composées que d'atomes de carbone (sphères noires).

Et parmi les allotropes amorphes, nous avons le carbone amorphe (b), dont, comme on peut le voir, sa structure est désordonnée. Cependant, il existe de nombreux types de carbones amorphes, c'est donc une famille de solides.

En outre, les atomes de carbone peuvent former des supramolécules, telles que les fullerènes (c) et les nanotubes (d). Ces supramolécules peuvent varier en taille et en forme, mais elles conservent les mêmes géométries; sphérique et tubulaire pour les fullerènes et les nanotubes, respectivement.

Liaisons covalentes de carbone

Avant d'aborder certains des allotropes connus du carbone, il est nécessaire d'examiner comment les atomes de carbone sont liés.

Selon la théorie des liaisons de valence, le carbone a quatre électrons dans sa couche de valence, avec lesquels ils forment des liaisons covalentes. Grâce à la promotion électronique et à l'hybridation, les quatre électrons peuvent être placés dans quatre orbitales distinctes, qu'elles soient pures ou hybrides.

Par conséquent, le carbone a la capacité de former jusqu'à un maximum de quatre liaisons.

DC. Avec quatre liaisons CC, les atomes atteignent l'octet de valence et deviennent très stables. Cependant, cela ne veut pas dire qu'il ne peut y avoir que trois de ces liens, tels que ceux vus dans les hexagones.

Hexagones

En fonction des hybridations de l'atome de carbone, des doubles ou triples liaisons peuvent être trouvées dans la structure de leurs allotropes respectifs. Mais, encore plus évidente que l'existence de telles liaisons, est la géométrie que les carbones adoptent.

Par exemple, si un hexagone est observé, cela signifie que les carbones ont une hybridation sp ² et ont donc une orbitale p pure avec un électron isolé. Pouvez-vous voir des hexagones parfaits dans la première image? Les allotropes qui les contiennent impliquent que leurs carbones sont sp ², qu'il y ait ou non des doubles liaisons (comme celles du cycle benzénique).

Une couche maillée, plane ou hexagonale est alors constituée de carbones sp ² qui ont un «toit» ou «nuage» électronique, produit de l'électron non apparié de l'orbitale p. Cet électron peut former des liaisons covalentes avec d'autres molécules, ou attirer les charges positives d'ions métalliques; comme ceux de K ⁺ et Na ⁺.

De même, ces électrons permettent à ces coques de s'empiler les unes sur les autres, sans collage (en raison d'un obstacle géométrique et spatial au chevauchement des deux orbitales p). Cela signifie que les allotropes avec des géométries hexagonales peuvent ou non être ordonnés pour construire un cristal.

Tétraèdres

Si un tétraèdre est observé, comme cela sera expliqué dans la dernière section, cela signifie que les carbones ont une hybridation sp ³. En eux, il y a quatre liaisons CC simples et ils forment un réseau cristallin tétraédrique. Dans de tels tétraèdres, il n'y a pas d'électrons libres comme il y en a dans les hexagones.

Carbone amorphe

Morceaux de charbon, représentatifs du carbone amorphe. Source: Pxhere.

Le carbone amorphe peut être imaginé comme une sorte d'éponge poreuse, avec de nombreux réseaux hexagonaux et tétraédriques arbitrairement disposés. Dans cette matrice minérale, ils peuvent piéger d'autres éléments, qui peuvent compacter ou dilater ladite éponge; et de la même manière, ses noyaux structuraux peuvent être plus grands ou plus petits.

Ainsi, en fonction du% de carbone, divers types de carbones amorphes sont dérivés; comme la suie, le charbon de bois, l'anthracite, le noir de carbone, la tourbe, le coke et le charbon actif.

À première vue, ils se ressemblent tous à distance (image du haut), avec des dégradés jusqu'au bord des tons noirs, ternes ou métalliques et grisâtres.

Tous les carbones amorphes n'ont pas la même origine. Le carbone végétal, comme son nom l'indique, est le produit de la combustion de masses végétales et de bois. Alors que le noir de carbone et le coke sont des produits de différentes étapes et conditions des processus pétroliers.

Bien qu'ils ne semblent pas très attractifs et que l'on puisse croire qu'ils ne servent que de combustibles, les porosités de leurs solides attirent l'attention dans les applications technologiques d'épuration, comme absorbants et stockage de substances, mais aussi comme supports catalytiques.

Politypisme

Les structures des carbones amorphes sont complexes et désordonnées; Cependant, des études cristallographiques ont montré qu'il s'agit en fait de polytypes tétraédriques (diamant) et hexagonaux (graphite), disposés arbitrairement en couches.

Par exemple, si T et H sont respectivement les couches tétraédrique et hexagonale, alors un carbone amorphe peut être structurellement décrit comme: THTHHTH; ou HTHTTHTHHHT, etc. Certaines séquences de couches T et H définissent un type de carbone amorphe; mais en eux, il n'y a pas de tendance ou de modèle répétitif.

C'est pour cette raison qu'il est structurellement difficile de caractériser ces allotropes de carbone; et au lieu de cela, on préfère son% de carbone, qui est une variable qui facilite ses différences, ainsi que ses propriétés physiques et sa tendance à brûler ou brûler.

Groupes fonctionnels

Il a été mentionné que les plans hexagonaux ont un électron non apparié avec lequel il peut former une liaison avec d'autres molécules ou atomes. Si, par exemple, les molécules environnantes sont H ₂ O et CO ₂, on peut s'attendre à ce que des groupes OH et COOH se forment, respectivement. Ils peuvent également se lier à des atomes d'hydrogène, formant des liaisons CH.

Les possibilités sont très variées, mais en résumé les carbones amorphes peuvent héberger des groupes fonctionnels oxygénés. Lorsque ces hétéroatomes sont présents, ils ne sont pas seulement situés aux bords des plans, mais aussi et même à l'intérieur d'eux.

Graphite

Structure cristalline de couches hexagonales de graphite. Source: MartinThoma.

L'image du haut montre un modèle avec des sphères et des chaînes de la structure cristalline du graphite. Les ombres des sphères, heureusement, aident à visualiser le produit des nuages ​​π de la délocalisation de leurs électrons non appariés. Cela a été mentionné dans la première section, sans autant de détails.

Ces nuages ​​π peuvent être comparés à deux systèmes: celui des anneaux benzéniques et celui des «mers d'électrons» dans les cristaux métalliques.

Les orbitales p se rejoignent pour construire une piste où les électrons voyagent librement; mais seulement entre deux couches hexagonales; perpendiculairement à eux, il n'y a pas de flux d'électrons ou de courant (les électrons devraient passer par les atomes de carbone).

Comme il y a une migration constante des électrons, des dipôles instantanés se forment constamment, qui induisent d'autres dipôles d'atomes de carbone qui sont au-dessus ou en dessous; c'est-à-dire que les couches ou feuilles de graphite restent unies grâce aux forces de dispersion de Londres.

Ces couches hexagonales, comme on pouvait s'y attendre, créent un cristal de graphite hexagonal; ou plutôt, une série de petits cristaux reliés sous différents angles. Les nuages ​​π se comportent comme s'ils étaient un "beurre électrique", permettant aux couches de glisser avant toute perturbation extérieure sur les cristaux.

Propriétés physiques

Les propriétés physiques du graphite sont faciles à comprendre une fois que sa structure moléculaire a été abordée.

Par exemple, le point de fusion du graphite est très élevé (au-dessus de 4400 ° C), du fait que l'énergie fournie sous forme de chaleur doit séparer de manière irréversible les couches hexagonales, et également casser leurs hexagones.

On vient de dire que leurs couches peuvent glisser les unes sur les autres; Et pas seulement, mais ils peuvent également se retrouver sur d'autres surfaces, comme la cellulose qui compose le papier une fois déposée à partir du graphite des crayons. Cette propriété permet au graphite d'agir comme un excellent lubrifiant.

Et, déjà mentionné, c'est un bon conducteur d'électricité, mais aussi de chaleur et de son.

Graphènes

Feuille de graphène sans double liaison. Source: Jynto

Bien qu'il n'ait pas été montré dans la première image, cet allotrope de carbone ne peut pas être laissé de côté. Supposons que les couches de graphite soient saisies et condensées en une seule feuille, ouverte et couvrant une grande surface. Si cela était fait au niveau moléculaire, les graphènes naîtraient (image du haut).

Ainsi, les graphènes est une feuille graphitique individuelle, qui n'interagit pas avec les autres et qui peut onduler comme un drapeau. Notez qu'il ressemble aux murs de nids d'abeilles.

Ces feuilles de graphène préservent et multiplient les propriétés du graphite. Ses hexagones sont très difficiles à séparer, ils présentent donc une résistance mécanique abyssale; encore plus haut que l'acier. De plus, ils sont extrêmement légers et minces, et théoriquement un gramme suffirait à couvrir tout un terrain de football.

Si vous regardez à nouveau l'image du haut, vous pouvez voir qu'il n'y a pas de doubles liaisons. Certes, il peut y en avoir, ainsi que des triples liaisons (graffins). C'est ici que la chimie du graphène s'ouvre, disons.

Comme le graphite et les autres couches hexagonales, d'autres molécules peuvent se lier de manière covalente à la surface du graphène, fonctionnalisant sa structure pour des applications électroniques et biologiques.

Nanotubes de carbone

Les trois types de nanotubes de carbone. Source: Mstroeck via Wikipedia.

Supposons maintenant que nous prenions les feuilles de graphène et que nous commencions à les rouler dans un tube; Ce sont des nanotubes de carbone. Les longueurs et les rayons de ces tubes sont variables, tout comme leurs conformations spatiales. Avec le graphène et les fullerènes, ces nanotubes constituent la triade des allotropes de carbone les plus étonnants.

Conformations structurelles

Trois nanotubes de carbone sont représentés dans l'image du haut. Quelle est la différence entre eux? Tous les trois ont des murs à motifs hexagonaux et présentent les mêmes propriétés de surface déjà décrites. La réponse réside alors dans les orientations relatives de ces hexagones.

La première conformation correspond au type zigzag (coin supérieur droit). S'il est soigneusement observé, il sera apprécié qu'il comporte des rangées d'hexagones positionnées parfaitement perpendiculairement à l'axe longitudinal du tube.

En revanche, pour la conformation de type fauteuil (coin inférieur droit), les hexagones sont disposés en rangées dans le même sens que l'axe longitudinal du tube. Dans le premier nanotube, les hexagones traversent la surface dans le sens de son diamètre, et dans le second nanotube, ils longent la surface, de «bout en bout».

Et enfin, il y a le nanotube chiral (coin inférieur gauche). Comparez avec un escalier en colimaçon allant à gauche ou à droite. Il en va de même pour ce nanotube de carbone: ses hexagones sont disposés de manière ascendante vers la gauche ou la droite. Comme il existe deux versions spatiales, on dit alors qu'il présente de la chiralité.

Fullerènes

Molécule de fullerène C60. Source: Benjah-bmm27.

Dans les fullerènes, les hexagones sont toujours maintenus, mais en plus, les pentagones apparaissent, tous avec des carbones sp ². Les feuilles ou couches sont déjà laissées pour compte: elles sont maintenant pliées de manière à former un ballon, semblable à un ballon de football; et selon le nombre de carbones, à un ballon de rugby.

Les fullerènes sont des molécules de taille différente. Le plus célèbre est le C ₆₀ (image du haut). Ces allotropes de carbone doivent être traités comme des ballons, qui peuvent se serrer ensemble pour former des cristaux, dans lesquels des ions et d'autres molécules peuvent être piégés dans leurs interstices.

Ces billes sont des supports ou supports spéciaux pour les molécules. Comment? Par les liaisons covalentes à sa surface, en particulier, aux carbones adjacents d'un hexagone. On dit alors que le fullerène a été fonctionnalisé (un adduit exohédrique).

Ses parois peuvent être stratégiquement brisées pour stocker des molécules à l'intérieur; ressemblant à une capsule sphérique. De même, ces billes peuvent présenter des fissures et être fonctionnalisées en même temps; tout dépendra de l'application à laquelle ils sont destinés.

Structure cristalline cubique du diamant. Source: GYassineMrabetTalk✉Cette structure a été créée avec PyMOL..

Et enfin, le plus connu de tous les allotropes de carbone: le diamant (bien que tous ne soient pas du carbone).

Structurellement, il est constitué de sp ³ atomes de carbone, formant quatre liaisons CC et un réseau tridimensionnel de tétraèdres (image du haut) dont la cellule cristalline est cubique. C'est le plus dur des minéraux et son point de fusion est proche de 4000 ° C.

Leurs tétraèdres sont capables de transférer efficacement la chaleur à travers le réseau cristallin; mais pas avec l'électricité, car ses électrons sont très bien situés dans ses quatre liaisons covalentes et il ne peut aller nulle part. C'est donc un bon conducteur thermique, mais c'est un isolant électrique.

Selon la façon dont il est facetté, il peut diffuser la lumière sous de nombreux angles brillants et attrayants, c'est pourquoi ils sont convoités comme pierres précieuses et bijoux.

Le réseau est très résistant, car il faudrait beaucoup de pression pour déplacer ses tétraèdres. Cette propriété en fait un matériau à haute résistance mécanique et dureté, capable de réaliser des coupes précises et nettes, comme avec le scalpel à pointe diamantée.

Leurs couleurs dépendent de leurs défauts cristallographiques et de leurs impuretés.

Références

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