Pourquoi le carbone a-t-il un point de fusion élevé ?

Dans le domaine de la chimie et de la science des matériaux, le carbone a attiré beaucoup d'attention en raison de ses propriétés uniques et de sa présence généralisée. Son point de fusion extrêmement élevé lui confère une stabilité dans les environnements extrêmes. Il joue également un rôle clé dans la pyrométallurgie, la fabrication de matériaux réfractaires et superdurs.

Structure du carbone

Dans la nature, le carbone présente une variété d'allotropes, tels que le diamant, graphite et fullerène. En raison de la disposition différente des atomes, les propriétés physiques et chimiques varient considérablement.

Le diamant est un cristal atomique, les atomes de carbone établissent des liaisons covalentes pour construire une structure de réseau tridimensionnelle. Chaque atome de carbone et les quatre atomes de carbone qui l'entourent sont reliés pour former un tétraèdre régulier, la structure globale est stable.

Le graphite est stratifié, les atomes de carbone de la couche forment un réseau hexagonal avec des liaisons covalentes, et les liaisons covalentes sont fortes. La couche est soumise à une faible force de van der Waals. Cela confère au graphite une bonne conductivité et un bon pouvoir lubrifiant dans la direction parallèle à la couche, ainsi qu'une certaine stabilité.

Représenté par C60Le fullerène a la forme d'un ballon de football et se compose de 60 atomes de carbone en forme de boule. Chaque atome de carbone est relié à trois atomes de carbone voisins par une liaison covalente. Grâce à la liaison covalente, le fullerène présente une certaine stabilité.

Raisons du point de fusion élevé du carbone

Liaison covalente

Le point de fusion élevé du carbone est principalement dû à sa puissante liaison covalente entre les atomes. Dans le diamant, chaque atome de carbone forme une forte liaison covalente avec les quatre atomes de carbone qui l'entourent. Les liaisons covalentes sont des liaisons formées par le partage d'électrons entre atomes, qui résultent essentiellement de la forte attraction exercée par le noyau sur la paire d'électrons partagés. Dans la structure du diamant, cette liaison covalente peut être très élevée. Et pour rompre ces liaisons covalentes et séparer les atomes de carbone, il faut beaucoup d'énergie.

Prenons l'exemple du diamant : sa liaison C-C a une liaison d'environ 347 kj/mol. Lorsqu'il est chauffé, l'énergie apportée par le monde extérieur doit être suffisante pour vaincre la liaison de ces liaisons covalentes. Pour changer la position relative de l'atome de carbone et passer ainsi de l'état solide à l'état liquide. En revanche, certaines molécules de matière, comme la glace, interagissent avec la force de van der Waals par des liaisons hydrogène plus faibles et un point de fusion de 0. Lorsque la glace fond, il suffit de détruire ces forces faibles entre molécules. Sans détruire les liaisons covalentes à l'intérieur des molécules d'eau, elle nécessite donc moins d'énergie.

Dans le graphite, bien qu'il existe une faible force de van der Waals entre les couches, les atomes de carbone de chaque couche forment un réseau plan stable grâce à des liaisons covalentes. Les atomes de carbone de chaque couche forment un réseau plan stable grâce à des liaisons covalentes. La liaison covalente dans cette couche a également une énergie de liaison élevée. Ainsi, lorsque le graphite est chauffé, la structure de la couche peut rester relativement stable. Et il faut une température plus élevée pour que l'ensemble de la structure change de manière significative.

Les atomes de carbone sont serrés les uns contre les autres

Outre l'action des liaisons covalentes, l'étroite accumulation d'atomes dans la structure cristalline du carbone joue également un rôle important dans son point de fusion élevé. Dans la maille tridimensionnelle du diamant, les atomes de carbone sont disposés de manière très ordonnée et compacte. Cette accumulation serrée fait que la distance entre les atomes est très faible et que l'interaction entre les atomes augmente encore.

Selon la théorie de la structure cristalline, l'accumulation dense d'atomes peut améliorer la densité et la stabilité des cristaux. Dans les diamants, l'énergie de réseau est plus importante en raison de l'accumulation compacte d'atomes. L'énergie de réseau fait référence à l'énergie absorbée par le cristal ionique en ions positifs gazeux et en ions négatifs gazeux dans des conditions standard. Pour les cristaux atomiques, on peut la comparer à l'énergie nécessaire pour briser la structure cristalline. Plus l'énergie de réseau est importante, plus le cristal est stable et plus le point de fusion est élevé.

Bien qu'il y ait un certain espace entre les couches de graphite, les atomes de carbone de chaque couche sont également étroitement disposés. Cette accumulation serrée dans la couche contribue également à améliorer la stabilité et le point de fusion du graphite. Dans chaque couche de graphite, la structure hexagonale formée par les atomes de carbone fait que l'interaction entre les atomes atteint un état d'équilibre. Une énergie élevée est nécessaire pour rompre cet équilibre.

Comparaison du point de fusion du carbone avec celui d'autres éléments

Comparé à d'autres éléments, le point de fusion du carbone présente des avantages significatifs par rapport aux éléments courants.

Si l'on prend l'exemple du fer, son point de fusion est d'environ 1538 °C. Il s'agit d'un cristal métallique, lié par des liaisons métalliques. L'interaction entre les cations métalliques et les électrons libres est surmontée lors de la fusion.

Le soufre existe souvent sous forme de S8 molécules, cristaux moléculaires. C'est par la faible force de van der Waals entre les molécules que le point de fusion n'est que de 115,21°C.

Le carbone, qu'il s'agisse du diamant ou de l'allotrope équivalent du graphite, en raison de la liaison covalente interatomique et de la structure d'emballage étroite, a un point de fusion bien supérieur à celui de nombreux éléments communs. Le point de fusion du carbone est d'environ 3550 °C (3824K)， il est extrêmement stable à haute température et devient un matériau clé dans des applications spéciales.

Application pratique du point de fusion élevé du carbone

Matériaux réfractaires :

Le carbone peut être largement utilisé dans la fabrication de matériaux réfractaires en raison de son point de fusion élevé. Dans l'industrie métallurgique, le revêtement des fours à haute température doit être résistant aux températures élevées et à l'érosion. Les matériaux composites contenant du graphite et du carbone peuvent résister à un environnement difficile, protéger le corps du four et prolonger sa durée de vie. Par exemple, le creuset en graphite peut résister à la fusion de l'acier fondu à haute température dans la fabrication de l'acier.

Matériaux super-durs :

Le diamant, allotrope du carbone, est devenu le premier choix pour la fabrication de matériaux superdurs en raison de sa grande dureté et de son point de fusion élevé. Les outils en diamant peuvent être utilisés dans les machines, le traitement de la pierre et d'autres domaines. Lors de la coupe à grande vitesse, le point de fusion élevé rend le diamant stable à haute température et à haute pression. La précision et l'efficacité du traitement s'en trouvent améliorées. Les diamants synthétiques peuvent également être utilisés pour fabriquer des outils de forage destinés à la prospection pétrolière et géologique.

Appareils électroniques :

Dans le domaine des appareils électroniques, le point de fusion élevé du carbone joue un rôle important. Semi-conducteurs Le secteur de la fabrication de produits chimiques nécessite un environnement à haute température pour la croissance des cristaux, le dopage et d'autres processus. En raison de son point de fusion élevé, de sa bonne conductivité électrique et de sa stabilité chimique, il peut être utilisé pour fabriquer des éléments chauffants, des creusets et d'autres composants. Pour assurer un contrôle précis du processus de fabrication des semi-conducteurs et une production de haute qualité.

Conclusion

Le point de fusion élevé du carbone est dû à sa structure unique, les liaisons covalentes entre les atomes sont fortes et serrées, et la fusion nécessite beaucoup d'énergie. Par rapport à d'autres éléments, cette propriété le rend avantageux dans de nombreux domaines. Elle permettra également de développer à l'avenir des matériaux à base de carbone plus performants.