Les différents types de carbone

Le carbone est le matériau le plus répandu dans l’univers. Sur terre, c’est même le composant même et le support de la vie. Il est présent sous de très nombreuses formes. On l’utilise aussi bien pour se nourrir que pour se vêtir, se protéger, remplacer des os ou pour créer des éléments et des processus industriels. Selon la façon donc on l’identifie, le carbone et largement dispersé dans la nature sous 3 à 5 formes que l’on qualifie d’allotropique.

La douceur du graphite

Le graphite est l’une des substances les plus douces connues. Elle est utilisée de diverses manières. C’est la « mine » d’un crayon et un lubrifiant dans les serrures, là où le métal frotte contre le métal. Elle existe sous des formes appelées alpha, ou hexagonale, et bêta, ou rhomboédrique. Celles-ci sont presque toutes identiques à l’exception de leurs structures cristallines.

Dans chaque cas, des atomes de carbone purs sont liés par covalence à d’autres atomes de carbone purs pour former des feuilles. Ce sont des couches d’atomes de carbone infiniment liés. Ces feuilles d’atomes s’empilent les unes sur les autres à une distance de 3,37 x 10-8 centimètres. Cette distance est suffisante pour qu’il y ait peu de liaison entre les différentes couches. Par conséquent, les feuilles d’atomes glissent les unes sur les autres avec une grande facilité. C’est ce qui confère ses excellentes propriétés lubrifiantes au graphite.

La forme alpha hexagonale du graphite peut être convertie en forme bêta par traitement mécanique. La forme bêta rhomboédrique peut être convertie en forme alpha en la chauffant à plus de 1000°C. Dans les graphites naturels, on trouve généralement un mélange de ces deux formes, certaines contenant jusqu’à 30 % de la forme rhomboédrique (bêta). Il est également possible de fabriquer du graphite de manière synthétique, principalement sous la forme alpha.

Carbone « blanc » et carbone amorphe

Le carbone « blanc » et le carbone amorphe sont deux formes souvent qualifiées de carbone presque pur. Le carbone dit « blanc » a été découvert en 1969 lorsque le graphite a été chauffé à très basse pression et à haute température (plus de 2500 degrés Kelvin). De minuscules cristaux de petit matériau transparent ont été vus s’accrocher aux bords du graphite régulier. Bien que similaire au graphite trouvé dans un cratère de météorite en Allemagne, le carbone « blanc » obtenu par chauffage est biréfringent. Il a la propriété optique particulière de diviser en deux les rayons lumineux qui le pénètre. On sait en fait très peu de choses sur cette forme allotropique.

Le carbone amorphe est une forme allotropique du carbone qui est produite lorsque du charbon, du gaz de houille ou du bois est brûlé à haute température sans beaucoup d’apport d’oxygène. Dans ces conditions, la combustion n’est pas complète. C’est une forme cristalline solide et fuligineuse (elle rappelle la suie) de carbone qui est créée. Elle est constituée de cristaux microscopiques d’autres variétés de graphite.

Les diamants sont éternels

La pierre la plus précieuse est créée dans les entrailles de la terre au bout de nombreuses années de fusion du carbone à très haute pression. En 1955, le graphite a été transformé artificiellement en diamant. En présence d’un catalyseur tel que le fer, le chrome, le manganèse ou le cobalt, le graphite a été chauffé et soumis à de très hautes pressions. Ces conditions extrêmes ont fait que les atomes de carbone du graphite se sont réarrangés et ont pris une nouvelle conformation.

Au lieu de former des couches plates de feuilles de carbone (qui ne sont pas interconnectées), les atomes de carbone du diamant sont disposés en un réseau tridimensionnel infini dans lequel chaque atome de carbone est lié à quatre autres atomes de carbone. Chacune de ces liaisons covalentes (chaque atome partage deux électrons) forme un angle égal avec chacune des autres liaisons covalentes. Cela forme ainsi un solide à quatre côtés qui ressemble à une pyramide.

De cette façon, chaque atome de carbone dans un diamant est fortement et réciproquement lié par covalence à quatre autres atomes de carbone. Cette liaison s’effectue à une distance d’environ 1,54 x 10-8 centimètres. Elle forme un réseau très solide qui ne peut être détruit ou perturbé que par des forces extrêmement puissantes. Les diamants sont donc très durs. Ils sont relativement chimiquement inactifs, de bons isolants et ont un point de fusion si élevé qu’il ne peut être que déduit, et non atteint.

Un nouveau carbone : les fullerènes

Parfois appelées buckyballs ou buckytubes, ces molécules sont une nouvelle forme de carbone qui n’a été créée que récemment. Les fullerènes ressemblent au graphite en ce sens qu’ils sont entièrement composés d’atomes de carbone reliés entre eux par des feuilles d’anneaux hexagonaux. Cependant, certains des anneaux de cette forme de carbone ont cinq atomes ou plus. Ils forment des pentagones et des heptagones. Cela donne à la feuille d’anneaux liés la forme d’une sphère creuse ou d’un tube.

Ces molécules synthétiques portent le nom de l’architecte Richard Buckminster Fuller. Ili a utilisé un principe similaire, mais à une échelle beaucoup plus grande, pour créer des dômes géodésiques. Le fullerène « commun » contient 60 atomes de carbone, et prend la forme d’un « icosaèdre tronqué ». C’est une forme beaucoup plus communément reconnue comme un ballon de football. D’où l’appellation de « footballerène » adoptée par certains.