Variétés allotropiques

Le carbone (symbole C) est le premier élément de la famille des cristallogènes il a pour numéro atomique Z = 6 et une masse atomique de M = 12.g.mol-1. Il possède plusieurs formes allotropiques. On peut en distinguer  principalement trois formes cristallines pour le carbone élémentaire : le diamant, le graphite qui sont des variétés naturelles sur Terre et les fullerènes qui sont une forme synthétisées dans cette famille se trouve les nanotubes de carbone ou encore le carbone C60.

  

     Plan bidimensionnelle du graphite                                                                                                                                                                                                                                                   


. Description de chaque forme allotropique en rapport avec les NTC :

1. Le Graphite est une espèce minérale friable qui  se trouve par exemple dans les mines de crayons. Sa structure est constituée de feuillets de graphènes empilés et séparés d'environ 0,335 nm.

Dans chaque graphène les atomes de carbone sont organisés sur un réseau hexagonal, chaque atome est relié à trois atomes voisins par des liaisons covalentes d'une distance d'environs 0,142 nm. Mais au contraire les atomes reliés au plan voisin sont reliés par des forces Van Der Waals attractive, ces forces sont relativement faible ce qui explique la faible dureté du Graphite et les plans peuvent glisser les uns sur les autres. La densité du graphite est un tiers plus faible que celle du diamant et le définit comme un solide très anisotrope, de couleur gris métallique noir.

Au niveau des propriétés optiques son indice de réfraction est de w=1.93-2.07, et c'est un solide opaque. Sa masse volumique est de 2,09–2,23g•cm-33, il est insoluble dans l'eau et sa température de fusion est a 3652 ° C.

2 - Le Diamant est un minérale de structure tétraèdrique  (comme le lonsdaléite)  et c'est une forme allotropique ne contenant que du carbone.

C'est l'un des matériaux naturels les plus solide avec une dureté de 10 maximum sur l'échelle de Mohs . C'est un solide transparent ayant une densité de 3,517, sa température de fusion est de 3546,85 ° C. C'est un solide insoluble dans l'eau, les acides et les bases et se transforme en graphite à 1100 °C sous atmosphère neutre  Sa masse molaire est de 12,02 g.mol-1 et sa masse volumique mesurée est de 3520 kg/m3 .Il a enfin un haut indice de réfraction (2,407 à 2,451, selon la longueur d'onde de la lumière ) et transmet la lumière depuis l’infrarouge lointain jusqu’à

L’ultraviolet. Chaque atome est reliés à quatre autres atomes de carbone par des liaisons covalentes fortes cela explique la grande rigidité du solide et ceci crée un réseau à trois dimensions extrêmement solide donc il s’avère être un très bon isolant et un exceptionnelle conducteur thermique.

 3  - Il existe plusieurs Fullerènes : C60, C70, Nanotubes etc.

Les fullerènes sont la troisième forme allotropique du carbone et sont une forme synthétisé. Ils sont similaires au Graphite qui est une structure bidimensionnelle d'un plan d'hexagone mais contiennent en plus des pentagones et parfois des heptagones et donc empêche la feuille d’être plate.

 Cela permet à la molécule de prendre une forme sphérique, ellipsoïdale, ou encore tubulaire (Nanotube) . Les fullerènes sont composés au minimum de 60 atomes de carbone. Le premier fullerène découvert est le C60 ou Buckminsterfullerène contenant 12 pentagone et 20 hexagones chaque sommet correspondant à un atome de carbone et chaque côté à une liaison covalente.
En séparant en deux parties égales le C60 et en ajoutant des atomes de carbone avant de refermer la structure  on peut construire le C70 (25 hexagones, 12 pentagones) et le C80 (30 hexagones, 12 pentagones).

                                                              Fullerène C60, C70, et C80

- En ajoutant encore des carbones, on arrive à un fullerène allongé avec plusieurs centaines à plusieurs millions d’hexagones et 12 pentagones c’est-à-dire un  nanotube de carbone monofeuillet.
 


Récapitulatif des différentes variétés allotropiques .

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