Graphite

Le graphite est un minéral qui est, avec le diamant, la lonsdaleite et la chaoite, l'un des allotropes naturels du carbone ; c'est un élément natif qui se trouve surtout dans les sédiments de métamorphisme régional mais, selon les roches, il peut se former aussi à partir du charbon organique, du magma ou par réduction des .

Sa structure est constituée de feuillets hexagonaux non compacts, nommés graphènes, séparés d'environ 0,336 nm le long de la direction de leur normale. Dans chaque feuillet, les atomes de carbone sont fortement liés par des liaisons covalentes de type sp², tandis que les liaisons entre les feuillets sont faibles, de type π, ce qui explique le clivage et la faible dureté.

Le mot « graphite » est dérivé du radical grec de γράφειν « écrire », avec adjonction du suffixe -ite.

Propriétés physiques

Le graphite est la forme stable du carbone à température et à pression ordinaires.

L'apparence du graphite est celle d'un solide noir à l'éclat submétallique ; sa dureté est faible, entre 1 et 2 sur l'échelle de Mohs.

À cause de sa structure en feuillets, toutes les propriétés physiques du graphite sont anisotropes. En particulier, la conductivité électrique est très différente dans le plan des feuillets et dans la direction perpendiculaire.

Polytypisme

Le graphite existe en deux polytypes :

• graphite-2H, système cristallin hexagonal, classe cristalline dihexagonale-bipyramidale, groupe d'espace P 6₃/mmc, empilement de type ABAB où le plan B est translaté de $a/\backslash sqrt\{3\}$ par rapport au plan A. Bien que sa structure soit analogue à celle des métaux qui cristallisent avec empilement hexagonal compact, le graphite est un non-métal. Il possède une certaine conductivité électrique, sa résistivité électrique est de 50 µΩ.m, soit 2900 fois celle du cuivre.
• graphite-3R, trigonal à réseau rhomboédrique, empilement de type ABCABC. La structure rhomboédrique 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.

Le charbon existe dans touts les états intermédiaires entre charbon amorphe et graphite hexagonal. On parle de graphite « lubricostratique » (latin « lubrico » rendre glissant) quand les couches sont déplacées parallèlement au hasard, et de graphite « turbostratique » (latin « turbo » tourbillon) si elles sont aussi tournées au hasard.

Utilisations

Le graphite a de nombreuses applications industrielles, sous diverses formes naturelles ou synthétiques :

• construction mécanique : pièces de frottement, joints d'étanchéité, produits lubrifiants ;
• construction électrique : balais de moteurs ;
• comme réducteur, notamment en sidérurgie (coke des hauts-fourneaux) ;
• comme électrode, par exemple en sidérurgie (acier électrique) ;
• comme cathode, par exemple dans l'industrie d'électrolyse de l'aluminium ;
• comme modérateur dans des réacteurs nucléaires ;
• comme adsorbant, dans les filtress à « charbon actif ».

Il est également utilisé en médecine comme adsorbant en cas d'intoxication par voie orale.

Dans les arts plastiques, il est utilisé pour le dessin (fusain). Il sert en particulier à fabriquer des crayons, souvent sous l'appellation incorrecte de « mine de plomb ».

L'utilisation domestique la plus courante est le crayon à papier.

Aussi peut-il être utilisé comme composite d'alliage (Titane / Fibre de verre / Aluminium) dans la fabrication des cadres de raquettes de tennis.