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TPE 1èreS-> les allotropies du carbones: le diamant et le graphite

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capucine
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TPE 1èreS-> les allotropies du carbones: le diamant et le graphite

Message par capucine » mar. 30 janv. 2018 07:47

Bonjour je suis en première S et mon TPE se porte sur la problématique suivante: «Pourquoi le diamant et le graphite n’ont pas les mêmes propriétés alors qu’ils ont la même composition atomique? » 
Donc je voulais savoir si vous pouviez m’aider dans mes recherches!
Merci d’avance, 
Cordialement, Capucine.

Modérateur_8
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Re: TPE 1èreS-> les allotropies du carbones: le diamant et le graphite

Message par Modérateur_8 » mer. 31 janv. 2018 15:20

Bonjour Capucine,

As-tu déjà effectué des recherches sur le sujet ? Si non, voilà ce que je peux te conseiller.

En effet, le diamant et le graphite ont des propriétés très souvent complètement opposées. Ce qui marque la littérature correspond notamment à la notion de dureté mais pas que !

Leur composition chimique est la même (uniquement des atomes de Carbone) cependant leurs structures n'ont rien à voir. L'agencement des atomes de Carbone les uns par rapport aux autres est à l'origine de l'ensemble des différences que nous connaissons pour ces deux minéraux.

Pour le diamant, la structure est tridimensionnelle et chaque atomes de Carbone présentent 4 liaisons covalentes (dites fortes) avec d'autres atomes de Carbone. En revanche, pour le graphite, les atomes sont organisés en couche (c'est à dire sur un même plan). Les liaisons entre les atomes de Carbone au sein de ces couches sont fortes. Cependant, les liaisons entre les couches sont faibles (les liaisons faibles sont d'une autre nature, elles correspondent à des interactions électrostatiques (= attraction de charges opposées) entre les molécules voisines (non plus entre les atomes). Elles agissent donc à des distances plus longues et sont de ce fait plus faibles que les liaisons covalentes.). C'est pourquoi le graphite est très friable.

Tu trouveras sur le site en lien (une base de données de référence que tu peux citer dans ton travail) l'ensemble des caractéristiques de ces minéraux pour comparaison (tu noteras que le site est en anglais donc le diamant correspond à diamond) : http://webmineral.com/Alphabetical_List ... nHN2meWxaQ

Si tu souhaites effectuer plus de recherche sur la notion de structure sache que ces questions ont fait l'objet de nombreux ouvrages que tu peux consulter dans de nombreuses bibliothèques (Si tu es de la région parisienne, je te conseille celle de Jussieu ou de la BNF) donc n'hésites pas à t'y rendre !

J'espère avoir pu t'aider au mieux !

Kévin

capucine
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Re: TPE 1èreS-> les allotropies du carbones: le diamant et le graphite

Message par capucine » mer. 31 janv. 2018 19:30

Merci beaucoup pour votre aide!
En effet j’avais déjà effectué des recherches mais vous m’avez tout de même bien aidé. Je vous en remercie.
Cordialement, Capucine

capucine
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Re: TPE 1èreS-> les allotropies du carbones: le diamant et le graphite

Message par capucine » jeu. 1 févr. 2018 11:11

Modérateur_8 a écrit : Bonjour Capucine,

As-tu déjà effectué des recherches sur le sujet ? Si non, voilà ce que je peux te conseiller.

En effet, le diamant et le graphite ont des propriétés très souvent complètement opposées. Ce qui marque la littérature correspond notamment à la notion de dureté mais pas que !

Leur composition chimique est la même (uniquement des atomes de Carbone) cependant leurs structures n'ont rien à voir. L'agencement des atomes de Carbone les uns par rapport aux autres est à l'origine de l'ensemble des différences que nous connaissons pour ces deux minéraux.

Pour le diamant, la structure est tridimensionnelle et chaque atomes de Carbone présentent 4 liaisons covalentes (dites fortes) avec d'autres atomes de Carbone. En revanche, pour le graphite, les atomes sont organisés en couche (c'est à dire sur un même plan). Les liaisons entre les atomes de Carbone au sein de ces couches sont fortes. Cependant, les liaisons entre les couches sont faibles (les liaisons faibles sont d'une autre nature, elles correspondent à des interactions électrostatiques (= attraction de charges opposées) entre les molécules voisines (non plus entre les atomes). Elles agissent donc à des distances plus longues et sont de ce fait plus faibles que les liaisons covalentes.). C'est pourquoi le graphite est très friable.

Tu trouveras sur le site en lien (une base de données de référence que tu peux citer dans ton travail) l'ensemble des caractéristiques de ces minéraux pour comparaison (tu noteras que le site est en anglais donc le diamant correspond à diamond) : http://webmineral.com/Alphabetical_List ... nHN2meWxaQ

Si tu souhaites effectuer plus de recherche sur la notion de structure sache que ces questions ont fait l'objet de nombreux ouvrages que tu peux consulter dans de nombreuses bibliothèques (Si tu es de la région parisienne, je te conseille celle de Jussieu ou de la BNF) donc n'hésites pas à t'y rendre !

J'espère avoir pu t'aider au mieux !

Kévin
Bonjour, même si mes recherches ont avancés, je voulais savoir si vous pourriez m'apporter des connaissances mathématiques sur le sujet étant donné que ce TPE traite des mathématiques et de la physique. 
Je voulais savoir si vous aviez des connaissances sur l'hybridation des orbitales de Pauling qui aurait un rapport avec ce sujet.
Merci d'avance
Cordialement, Capucine

Modérateur_8
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Re: TPE 1èreS-> les allotropies du carbones: le diamant et le graphite

Message par Modérateur_8 » mer. 7 févr. 2018 15:15

Bonjour Capucine,
Je te répondrais d'ici peu. Je suis occupé pour cette semaine mais rassure toi, j'ai bien pris connaissance de ta demande.
Cordialement,
Kévin

Modérateur_8
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Re: TPE 1èreS-> les allotropies du carbones: le diamant et le graphite

Message par Modérateur_8 » lun. 26 févr. 2018 10:45

Bonjour Capucine,

Je te prie de bien vouloir m'excuser d'avoir mis autant de temps à te répondre.
Il faut savoir que dans le monde des sciences, tous les sujets ont un lien de près ou de loin avec les mathématiques.
Ton sujet s'y prête bien. En revanche, l'hybridation des orbitales atomiques est un concept structural très précis. Peut-être trop précis ? Pour un travail TPE, cela me paraît éminemment complexe.
Mais peu importe ! Essayons!
Dans un premier temps, je te conseille de t'intéresser au système cristallin du diamant et du graphite (sujet plus large et du niveau première S). L'organisation des atomes de carbone est à l'origine des différences entre ces deux minéraux (comme nous en discutions précédemment). Cela implique que dans un espace tridimensionnel, tes atomes de carbone ne vont pas se répéter de la même manière dans l'ensemble de la maille. Par exemple : le diamant présente un système cristallin dit cubique et le graphite présente quant à lui un système dit hexagonal. Ces systèmes sont définis par rapport à la symétrie de la maille conventionnelle (de référence). Tu comprends donc facilement qu'il y a une notion géométrique très importante dans la définition d'un minéral. (en outre, pleins d'autres caractéristiques physico-chimiques des minéraux sont issues de calculs mathématiques c-f le site que je t'ai mis en lien précédemment).

Lorsque tu t'intéresses à l'hybridation des orbitales atomiques (concept beaucoup plus chimique que mathématique), en réalité tu t'intéresses à la nature des liaisons atomiques. Je m'explique. Un atome, quel qu’il soit, possède une configuration électronique. Pour faire simple, cela correspond plus ou moins à la manière dont les électrons vont se répartir autour du noyau. Lorsque deux atomes (ou plus) rentrent en interaction  comme dans n'importe quelle molécule, les charges positives des noyaux vont avoir une influence sur la répartition des électrons (voir électrons de valence etc.) ce qui va conduire à la formation de nouvelles orbitales. Je résume à fond mais l'idée générale est là. Il y a un problème (mathématique) cependant avec le concept d'hybridation des orbitales atomiques : Il nécessite un référentiel pour définir des orbitales atomiques de base. Hors seul l'hydrogène est utilisé car il correspond au seul cas où l'équation de Schrödinger (notion de mécanique quantique et là malheureusement je ne pourrais pas t'aider plus...) est résolu. Comme l'atome de base n'est pas le Carbone mais un atome bien plus léger alors les orbitales obtenues sont déformées.

En bref, je te conseille de t'intéresser à la structure de tes deux minéraux (système cristallin - géométrie) plutôt qu'à la nature des liaisons chimiques (du moins pas autant dans le détail, à moins que cela t'intéresse et que tu peux le traiter mais il te faudra bien plus que 15 min pour l'expliquer...).

J'espère avoir pu t'aider !

Bonne journée,
Kévin

capucine
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Re: TPE 1èreS-> les allotropies du carbones: le diamant et le graphite

Message par capucine » ven. 9 mars 2018 21:58

Merci beaucoup pour toutes ces informations, en effet vous m'avez bien aidé et vous avez éclairé certains points. 
Merci encore!

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