Le Graphène

[Forum67]

Bonjour,

Je bosse actuellement sur le graphène. Et je me pose une question depuis pas mal de temps.
On m'a toujours dit : carbone=4 liaisons
Alors que pour le graphène, matériau d'une seule couche d'atome, qui possède une structure en nid d'abeille; n'a que 3 liaisons covalentes représentés.
Pourquoi ?
On m'a parlé d'hybridation sp2 et de suborbitale en dehors du plan. Je ne comprend pas très bien le principe.
Si vous pourriez m'éclairer, ce serait avec grand plaisir ...

Merci d'avance !
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[Deedee81]

Salut,

C'est comme dans le benzène. Une des trois liaisons est en fait une double liaison. Dans ce cas, les "trois" liaisons sont dans un même plan d'où la structure en nid d'abeille.

A noter que deux des électrons de la double liaison sont délocalisés. Ils se déplacent et les doubles liaisons ne sont pas toujours les mêmes. D'où le fait que le graphène est très bon conducteur.
Cas du benzène :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Benz%C....C3.A9lectrons

[Forum67]

Merci !
Du coup, je me posais une question (peut être complètement à côté de la plaque...)
"Ils se déplacent et les doubles liaisons ne sont pas toujours les mêmes."
Même quand le graphène est au repos, sans aucune tension ou autre ?

[Forum67]

Et sinon c'est sur quelle liaison (gauche, droite ou bas; pour schématiser) ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

"Ils se déplacent et les doubles liaisons ne sont pas toujours les mêmes."
Même quand le graphène est au repos, sans aucune tension ou autre ?

Oui. Les fluctuations étant aléatoires. En fait, il est impossible de dire même à un instant donné où est la double liaison. C'est un effet quantique : ces électrons ont une fonction d'onde uniforme dans tout le matériau.
On a aussi la même chose avec le benzène. Ainsi, dans la liaison benzène 1-CH3 2-Cl on devrait avoir deux molécules différentes selon que liaison 1-2 est simple ou double. Même éventuellement deux molécules changeant d'identité sans arrêt. Mais non : on n'a qu'une seule molécule, correspondant à la superposition quantique des deux états (position des doubles liaisons).

EDIT croisement, ta question ci-dessus me rappelle que pour le graphène le réseau est plus compliqué que pour le benzène et il y a plus de deux états.

Ce n'est même pas lié à la température (on a ce phénomène même à température de 0K).
Regarde dans le lien que j'ai donné ci-dessus.

Par contre, il n'y a pas de mouvement d'ensemble de ces électrons. Mais si tu appliques une tension, alors là oui, il y a un mouvement d'ensemble.

C'est exactement la même chose qu'avec les "liaisons métalliques" dans les métaux et les spectres de bandes avec lesquels on décrit la conduction dans métaux ou les semi-conducteurs (sujet vaste et compliqué, du moins si on va dans le détail, mais que j'ai toujours trouvé fort passionnant).

[Forum67]

Cela veut donc dire que les carbone sont plus ou moins toujours liées ensemble ?
Si oui est ce que ça aurais un rapport avec la solidité et la flexibilité surtout ?

[Forum67]

"une liaison π entre deux atomes de carbone a une énergie de 250 kJ.mol−1 tandis qu'une liaison σ nécessitera 348 kJ.mol −1 pour être rompue." Wiki

Mais d'après une source du CNRS : "pour pouvoir briser cette liaison extrêmement solide il faudrait chauffer le matériau jusqu’à 3 000°C." La liaison en question c'est une liaison σ ?

[Resartus]

Bonjour,
L'essentiel de la solidité du graphene vient des trois simples liaisons, qui constituent un réseau solide mais flexible. Ce sont ce qu'on appelle en effet des liaisons sigma*
Pour le quatrième électron, si vous lisez le lien fourni par deedee81, vous verrez qu'il n'y a pas réellement de 'double liaison" dans le benzène (c'est à dire une liaison entre deux atomes précis). Les électrons en question sont partagés sur l'ensemble des 6 atomes de carbone.
La représentation la plus fidèle est le dessin avec un petit cercle à l'intérieur.

Dans le cas du graphène, ces électrons sont encore plus délocalisés, puisqu'ils sont partagés sur l'ensemble du feuillet (des milliards d'atomes). Ils se déplacent comme s'ils étaient entièrement libres et contribuent peu à la résistance du matériau. Par contre, ils sont responsables de forces d(attraction perpendiculaires assez faibles (forces de van der waals) qui peuvent assurer une certaine cohésion entre les divers feuillets, sans empêcher les glissements (comme par exemple dans le graphite)

*Pas sur que ces notions d'hybridation sp3/sp2/sp ou de liaisons sigma ou pi ou aromatiques comme le benzène soient au programme de lycée. On commence sans doute en licence ou en prépa scientifique



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[Forum67]

Merci beaucoup de ces réponses très complètes !
Bonne journée à vous deux !

P.S : oui ce n'est pas du tout au programme du Lycée, c'est pour ça que je vous ai posé la question !