Mots-clés |
  • chimie,
  • méthane
Mille et une facettes du carbone

Le carbone a été découvert dès la préhistoire et était produit par la combustion incomplète des matières organiques produisant du charbon. C'est un élément chimique de la famille des cristallogènes : ambre, encre de Chine, carbure, graphite, noir animal, charbon actif, diamant, crayon, etc... Tous ces mots ont un lien direct avec le carbone : c’est ce que ce dossier va vous faire découvrir en traitant du carbone sous un angle moins «  chimique » que d’habitude.

Page 3 / 11 - Graphite Sommaire
PDF
Claire König Enseignante Sciences Naturelles

Le graphite est un des quatre allotropes du carbone : comme le diamant, le graphite, les fullerènes  et le carbone amorphe (charbon de bois, coke et noir de carbone).

Le graphite naturel est de couleur noire et d'éclat métallique, graisseux au toucher et tache les doigts. Il est le produit du métamorphisme de la matière carbonée dans les roches sédimentaires. On le trouve avec le quartz et la muscovite, dans les schistes de métamorphisme régional et dans le marbre. Selon le degré de métamorphisme, il peut se présenter sous forme de paillettes ou sous forme amorphe ou encore sous forme de veines.

Les pays producteurs actuels sont : Chine, Mexique, Inde, Ukraine, Brésil, Corée du Nord, Russie, Sri Lanka et Mozambique. On a trouvé des cristaux de graphite dans les marbres de la mine Sterling Hill au New Jersey, aux Etats-Unis et la seule exploitation canadienne est au Québec.

La production combinée de la Chine, l'Inde, le Mexique, la Corée du Nord et le Brésil constitue 75 % de la production mondiale.

Le prix du graphite (forme cristalline) en Europe  varie entre 570 et 750 $ la tonne.

GrafitaEZEurico Zimbres © Wikipedia
GrafitaEZEurico Zimbres © Wikipedia

Les trois principaux types de graphite naturel :

- le graphite micro-cristallin (commercialement : graphite amorphe),
- le graphite en paillettes, le plus utilisé et classé d'après la grosseur des paillettes et le % en carbone de 90 p. 100 à 95 p. 100.
- le graphite en blocs.

Graphite
Graphite

1 - Le graphite synthétique

- Le graphite synthétique primaire à 99,9 p. 100 est fabriqué dans des fours électriques en utilisant le coke de pétrole. On en sert fait des électrodes et des balais pour moteurs électriques.
- Le graphite secondaire est utilisé dans les réfractaires.

Les fibres de graphite produites à partir de rayonne, par exemple, sont utilisées comme agent de renforcement dans les composites polymères en aérospatiale et dans les articles de sport.

Quelques propriétés :

- excellent conducteur de chaleur et d'électricité
- point de fusion très élevé à 3550 °C.
- résistant aux chocs thermiques
- chimiquement inerte.
- bas coefficient d'absorption des rayons X
- très bas coefficient de friction.

Ses utilisations sont nombreuses : A propos du graphite il faut mentionner l’électrométallurgie de l'aluminium  avec 6 millions de t d'anodes et plusieurs dizaines de milliers de t de cathodes. Les anodes sont préparées par vibrotassage de coke de pétrole et la cuisson est effectuée à 1 100°C.

Les cathodes sont réalisées à partir d'anthracite calciné ou de graphite recyclé. La cuisson a lieu à 1 100°C. Électrodes pour fours à arc : 1 million de t/an. L'arc électrique produit entre les électrodes apporte la chaleur destinée à fondre la charge du four.

- Fours à fusion : pour la production d'acier
- Fours à réduction : pour produire les ferro-alliages, le silicium, le carbure de calcium, le phosphore…

Mais le graphite est aussi utilisé pour :
- Balais pour moteurs électriques et générateurs : le graphite assure le contact électrique et autolubrifie la surface métallique.
- Creusets de hauts fourneaux : ils sont constitués de plus de 1 000 t de blocs de carbone, à base d'anthracite calciné, cuits à 1 100°C.
- Moules : les métaux, les verres, les scories ne mouillent pas le graphite. Les moules en graphite sont utilisés pour mouler des pièces de verrerie, pour souder des rails par aluminothermie grâce à l'excellente tenue aux chocs thermiques du graphite.
- Tuyères : pour missiles tactiques, fusée Ariane, tubes d'injection de diazote dans les bains en fusion d'alliages légers.

- Disques de frein pour l'Airbus A 321, pour les TGV…
- Anticathodes : utilisées dans les tubes à rayons X de radiologie. Elles sont en graphite revêtu de tungstène par dépôt chimique en phase vapeur ou par brasage d'une feuille mince. Elles tournent à 12 à 15 000 tours/min. Le graphite permet d'évacuer la chaleur engendrée par l'impact des électrons et limiter les effets liés à la force centrifuge (faible masse volumique du carbone).
- Génie chimique : dans les échangeurs de température, dans les appareillages de synthèse de HCl, les pompes, les colonnes, les évaporateurs… La résistance à la corrosion du graphite est meilleure que celle de la plupart des métaux. La porosité du graphite est éliminée par imprégnation secondaire à l'aide de résines ou de pyrocarbone.
- Nucléaire : les réacteurs de la filière graphite-gaz, en France, contiennent 3 000 t de graphite par réacteur. Après le démantèlement de ces centrales, le graphite sera incinéré en lit fluidisé.
- Réfractaires, garnitures de freins, lubrifiants, creusets, batteries, crayons, caoutchouc, peintures conductrices, poudres de métal, modérateur de neutrons dans les réacteurs nucléaires et diamants synthétiques etc.

2 - L’inventeur de nos crayons

Nicolas-Jacques Conté (1755-1805), physicien et chimiste français est né en Normandie et fils d'un jardinier. Il étudia les sciences et leurs applications.

- Il fut chargé d'une école d'aérostiers, à Meudon.
- Il invente des vernis imperméables et une méthode de préparation de l'hydrogène.
- Il fut envoyé en Égypte comme commandant des aérostiers
- Il a participé à la création du Conservatoire des arts et métiers de Paris.
- Il dirigea la publication du grand ouvrage sur l'Égypte.

Crayons
Crayons

Depuis le XVIe siècle, les crayons utilisaient des mines en plombagine, un graphite pur extrait à Borrowdale en Angleterre. En 1794, la France, soumise à un blocus économique, incite Carnot à charger Conté de trouver une mine de crayon sans matières premières étrangères.

Conté eut l’idée de mélanger le graphite avec de l’argile, de cuire le tout et de le coincer entre deux demi-cylindres de bois. «L'argile bien pure, c'est-à-dire celle qui contient le moins de terre calcaire, de silice, etc., est la matière que j'emploie pour donner de l'agrégation et de la solidité à toutes sortes de crayons. On sait qu'elle a la propriété de diminuer de volume et de se durcir en raison directe des degrés de chaleur qu'elle éprouve.» Le crayon était né !

En 1795, il obtient un brevet et fonde la société Conté pour fabriquer ses  crayons. L'entreprise a été rachetée en 1979 par Bic.

Une gamme de produits Beaux-Arts est toujours vendue sous l'estampille Conté à Paris et le groupe Bic poursuit la fabrication du crayon de bois à mine graphite selon le même procédé :

- La mine noire est réalisée à partir de graphite en poudre, de kaolin et de bentonite en présence d'eau. La pâte est séchée, puis cuite vers 1200°C .
- Les mines de couleur sont réalisées avec des colorants minéraux qui, eux, sont sensibles aux températures élevées, elles ne sont donc pas cuites comme précédemment mais étuvées, et renforcées avec des liants.

Les crayons mine se classent  de 9H à 9B :

- H signifie hard, sa trace sera légère
- B signifie black, sa trace sera noire
- F signifie fine point. Il s'agit du véritable milieu, HB est un peu plus gras.

Cette classification a été créée par Lothar von Faber vers 1839. La dureté est liée à la proportion d'argile: plus celle-ci est importante, plus la mine est "H" : l'argile est une charge maigre, le graphite joue simultanément le rôle de liant gras et de pigment.  Il existe aussi des crayons en graphite sans bois, appelés mine de plomb ou mine de graphite.

Mille et une facettes du carbone - 3 Photos

A voir aussi sur Internet

Sur le même sujet

Vos réactions

Chargement des commentaires