Le graphite est une espèce minérale qui est, avec le diamant, la lonsdaléite et la chaoite, l'un des allotropes naturels du carbone.

Sa formule chimique est « C » mais les formes natives permettent de retrouver des traces d'hydrogène (« H »), d'azote (« N »), d'oxygène (« O »), de silicium (« Si »), d'aluminium (« Al »), de fer (« Fe ») ou encore d'argile.

Inventeur et étymologie

À la fin du XVIII siècle le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele a démontré que la plombagine (qu'il utilisait pour écrire) ne contenait pas de plomb et que ce minerai était une forme cristalline particulière du carbone.

C'est le minéralogiste allemand Abraham Gottlob Werner qui a inventé le terme « graphite » en 1789, s'inspirant du grec γράφειν (graphein = écrire).

Gîtologie

C'est un élément natif qui se trouve surtout dans les sédiments de métamorphisme régional mais qui, selon les roches, peut se former aussi à partir du charbon organique, du magma ou par réduction des carbonates.

Présent dans les météorites.

Cristallographie

Structure du graphite.

Maille élémentaire.

La structure du graphite 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, chaque atome de carbone est fortement lié par des liaisons covalentes de type sigma pour ses 3 électrons sp, et des liaisons covalentes de type π pour son autre électron p, Ces liaisons π sont des liaisons conjuguées avec les trois atomes voisins, les électrons y sont très mobiles ce qui explique la grande conductivité électrique et thermique ainsi que la couleur noire du graphite. Entre les feuillets les liaisons sont faibles et seraient de type Liaison de van der Waals, ce qui expliquerait le clivage et la faible dureté. Par contre ceci est mis en doute dans des travaux récents..

Propriétés physiques

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

En raison 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 / 3 {\displaystyle a/{\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 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 tous les états intermédiaires entre charbon amorphe et graphite hexagonal. On parle de graphite « lubricostratique » (du latin lubricare, « rendre glissant ») quand les couches sont déplacées parallèlement au hasard, et de graphite « turbostratique » (du latin turbo, « tourbillon ») si elles sont aussi tournées au hasard.

Synonymie

crayon de plomb

graphitoid (Shepard)

mélangraphite

mica des peintres

mine de plomb

plombagine

Variété

cliftonite (Fletcher) : octaèdres de graphite en pseudomorphose de kamacite. Cette variété a un temps été considérée comme un allotrope du carbone, voire comme une pseudomorphose après le diamant. Elle se rencontre dans certaines météorites de fer.

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 cathode dans la galvanoplastie et particulièrement la galvanotypie ;

comme modérateur dans des réacteurs nucléaires ;

comme adsorbant, dans les filtres à « charbon actif ».

comme conducteur électrique (Pencil Mod)

comme échangeur de chaleur pour le traitement d'acide chlorhydrique (fabrication pigment de peinture)

Il est également utilisé en médecine comme absorbant en cas d'intoxication par voie orale et en usage militaire pour endommager les centrales électriques comme bombe au graphite.

Dans les arts plastiques, il est utilisé pour le dessin. 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.

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

Une forme pyrolytique du graphite est utilisée dans la fabrication de grilles pour les tétrodes de très grande puissance dans le domaine de la radiodiffusion. On peut citer par exemple la tétrode TH539 qui a été utilisée jusqu'en mars 2003 sur l'un des deux blocs émetteurs ondes longues d'Allouis de 1 000 kW.

石墨是一种矿物名，通常产于变质岩中，是煤或碳质岩石（或沉积物）受到区域变质作用或岩浆侵入作用形成。

石墨（Graphite）是元素碳的一种同素异形体<碳的其他同素异形体有很多，为人熟悉例如钻石>。石墨是其中一种最软的矿物，不透明且触感油腻，颜色由铁黑到钢铁灰，形状呈晶体状、薄片状、鳞状、条纹状、层状体或散布在变质岩中。化学性质不活泼，具有耐腐蚀性。

结构

石墨具有层状的平面结构，结构如左图所示。每层中碳原子都排列成蜂窝状晶体结构，层内原子间距0.142nm，层间距0.335nm。层内每个碳原子的周边以共价键链接着另外三个碳原子，排列方式呈蜂巢式的多个六边形，每层间有微弱的范德华力。由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。

用途

由于石墨的叠层结构易剥落，可于纸上书写。 它的用途包括制造铅笔笔芯和润滑剂或集电弓上的碳刷条，也可作为压力管式石墨慢化沸水反应炉的中子减速剂。 目前主要用途是耐火材料的原材料，尤其是镁碳砖。自然界自然形成的石墨可分为鳞片石墨和土状石墨。 因晶体结构中存在大量离域电子，石墨可以导电，其与晶体层平行的方向电阻率为(2.5～5.0)×10Ω·m，与层垂直的方向电阻率为3×10Ω·m。

存在形式

碳的存在形式是多种多样的，有晶态单质碳如金刚石、石墨；有无定形碳如煤；有复杂的有机化合物如动植物等；碳酸盐如大理石等。单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构。高硬度的金刚石和柔软滑腻的石墨晶体结构不同，各有各的外观、密度、熔点等。