Structure du graphite et du diamant
Les propriétés physiques d'un matériau, liquide, solide ou bien gazeux sont étroitement liées à la nature des interactions entre les atomes, les molécules ou les ions le composant et à l'arrangement de ces entités chimiques au sein même de celui-ci. Nous prendrons l’exemple de deux formes cristallines du carbone : le diamant et le graphite. Le diamant se distingue, en particulier, par sa transparence et sa dureté extrême, tandis que le graphite est un solide noir et mou; le diamant est un bon isolant électrique et conducteur thermique tandis que le graphite est conducteur électrique et thermique.
Une chose est sûre, le diamant a considérablement plus de valeur que le graphite. Le graphite est si peu cher qu'il est employé pour fabriquer des mines de crayon. Mais le graphite est un matériau aussi fascinant que le diamant de diverses façons. Le graphite est utilisé pour fabriquer des clubs de golf, des raquettes de tennis et est même utilisé dans les réacteurs nucléaires comme modérateur. Si le graphite et le diamant sont tous deux composés uniquement de carbone alors comment expliquer de telles différences de propriétés ?
L'explication tient à la façon dont sont arrangés ces atomes les uns par rapport aux autres.
Maille du diamant
Maille du graphite
Dans le diamant, les atomes sont très serrés, et chaque atome est relié de manière tétraédrique à quatre autres atomes de carbone, donnant ainsi une structure tridimensionnelle solide et rigide au diamant. On dit que la coordinence du carbone (le nombre d'atomes voisins les plus proches dans les trois directions de l'espace) dans la structure du diamant est de quatre. Les liaisons chimiques qui permettent une telle structure sont extrêmement solides et résultent de la mise en commun d’électrons, il s’agit des liaisons covalentes : possédant quatre électrons sur sa couche externe, le carbone a tendance à attirer quatre électrons supplémentaires pour devenir stable.
Il faut savoir que le diamant cristallise dans le système cristallin cubique, c'est-à-dire que la maille élémentaire du diamant forme un cube, plus précisément un cube à faces centrées. Le système cristallin cubique est le plus répandu parmi les cristaux, on trouve par exemple le grenat ou la pyrite qui eux aussi cristallise de façon cubique.
Il existe cependant plusieurs variétés de diamants dont les formes cristallines dérivent toutes du cube (octaèdre, dodécaèdre, etc).
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Réseau
Motif : 2 atomes de carbone
Maille du diamant
Comme expliqué plus haut, le diamant cristallise selon une maille élémentaire (la plus simple) cubique, c'est à dire que le réseau est constitué de 3 vecteurs de base de même norme, orthogonaux entre eux. Les points du réseau sont situés aux sommets et aux centres des faces des cubes formés par le réseau : on parle de maille cubique à faces centrées. Le motif est constitué de 2 atomes de carbone reliés par une liaison covalente. Sur chacun des points du réseau cristallin, on applique le motif pour retrouver la structure cristalline du diamant.
Maille élémentaire du diamant
Animation géogebra
Explication en vidéo
Dans le cas du graphite, la structure cristalline est complètement différente. Il cristallise selon une structure dite « lamellaire ». Le système cristallin auquel il appartient est celui hexagonal, sa maille élémentaire est par conséquent hexagonale : C'est un prisme droit avec comme base un losange à 2π/3 dont les motifs se trouvent aux sommets du prisme. Le motif est constitué de 4 atomes de carbones répartis selon le schéma ci-dessous. En superposant ce motif aux noeuds du réseau, on obtient la structure cristalline du graphite.
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Réseau
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Motif : 4 atomes de carbone
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Maille du graphite
Cette structure forme des feuillets parallèles d’atomes de carbone, agencés entre eux à la manière d’un hexagone. Ces feuillets, appelés « graphènes », sont entassés les uns sur les autres à approximativement 0.34nm les uns des autres. Au sein d’un même feuillet, chaque atome de carbone est lié à trois autres (ce qui explique la présence d'hexagone) par des liaisons covalentes fortes, sa coordinence est donc de 3. Les électrons qui ne sont pas mobilisés par ces liaisons (un par atome de carbone) sont engagés dans des liaisons bien plus faibles, de type van der Waals et qui lient les feuillets entre eux. De ce fait, les feuillets ne sont pas aussi bien « attachés » que les atomes, si bien qu'ils peuvent glisser les uns par rapport aux autres.
Structure cristalline du graphite
Animation géogebra
Explication en vidéo
Ainsi, la différence dans l’organisation atomique entre diamant et graphite met l’accent sur l'influence de la structure cristalline sur les propriétés d'une pierre précieuse. Par exemple, toutes les gemmes ayant une forme cristalline cubique, où la structure du cristal est complètement symétrique, ont une propriété commune. La structure cristalline cubique permet de réfracter la lumière dans toutes les directions et à la même vitesse. Ainsi, même si le diamant, le grenat et la pyrite ont une composition chimique très différente, ils ont des axes qui dictent la façon dont la lumière est orientée à son entrée dans le cristal en raison de leur structure cristalline similaire.
