STRUCTURE DES CHARBONS

Des études précédentes on peut déduire l’essai suivant de synthèse sur la structure des charbons.

A. — Les bases expérimentales. — 1° Depuis les travaux de Duparque (1925-1933) qui avaient été précédés pour certaines variétés particulières de charbons par ceux de E. Bertrand et Renaud, nous

» du

CONTRIBUTION A L'ÉTUDE DU CARBONE ET DES CHARBONS MINÉRAUX &r

savons que les divers lits élémentaires des combustibles solides (vitrain, clarain, durain, fusain) sont formés soit d’une sorte de charbon de bois (fusain), soit d’une gelée vitreuse contenant des quantités variables de débris végétaux diversement gélifiés. Ces résultats sont valables tant pour les anthracites et les houilles que pour les lignites. Ainsi connaissons-nous les hétérogénéités et les structures des charbons pour les dimensions supérieures au demi-micron (5000 À).

20 L'étude des clichés Debye-Scherrer de diffusion des rayons X par les poudres de charbons montre un diagramme de gel très voisin de celui d’un liquide et contenant une ou deux des raies principales du graphite, mais ces raies sont très larges : ceci nous donne à l'échelle de quelques angstrôms l’arrangement moyen des atomes; ceux-ci ont une disposition en lamelles superposées contenant quelques structures hexagonales de carbones comme dans le graphite.

39 L’analyse de la diffusion centrale d’un rayonnement X monochromatique correctement défini montre que tous les charbons (lignites, houilles, anthracites) ont une structure micellaire correspondant à un rayon variable, mais ayant une cinquantaine d’angstrôms en moyenne, et qu’il existe une légère différence de densité électronique entre les micelles et le milieu environnant.

4° L'ensemble des propriétés connues des charbons qui semble s’accorder avec la théorie proposée forme un lot important de données qu’un lien général doit pouvoir réunir et interpréter.

B. — Les structures précédemment proposées. — 5° Peu de structures ont été proposées car les bases expérimentales sont récentes et ont laissé subsister jusqu’à nos études par la diffusion centrale un immense domaine inconnu : sa structure de gel vitreux n’apportant par ailleurs aucune possibilité d’explication précise car ce sont précisément ces solides qui sont les moins bien connus comme nous l’avons vu précédemment.

Toutefois, nous pouvons noter quelques théories de structure.

60 Sans remonter à Buffon qui considérait que quelques substances dures « telles que les schistes bitumeux, les charbons de terre », ne sont que des terres végétales ou limoneuses plus ou: moins imprégnées de bitume, nous indiquerons que la plupart des structures proposées pour les combustibles reposait surtout sur des hypothèses relatives à leur formation. D'ailleurs ces schémas grossiers ne peuvent représenter des « structures » avec le sens que l’on attribue actuellement à cette figuration de la matière.

Tout récemment H. E. Blayden, J. Gibson et H. C. Riley (1943) ont, en se basant sur le résultat de clichés Debye-Scheerer, admis l'existence d’empilements désordonnés de feuillets de graphite de

faibles dimensions.

Or, ce schéma est trop simple. Il ne tient pas compte de la structure

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révélée par la diffusion centrale dont la connaissance commençait alors àse faire jour ; il illustre uniquement l'interprétation de la structure à l'échelle de quelques angstrôms.

C. — Structure proposée pour les charbons. — A l'échelle supé-

rieure à 9 000 À les micrographies faites au banc Le Chatellier et les interprétations qu’en a données Duparque expliquent complètement la structure des charbons. A plus grande échelle l’observation de lits généralement superposés et de nature différente complète ces connaissances.

Il nous faut donc préciser la structure des charbons depuis quelques angstrôms de distance jusqu'à 5 000 À. j * Nous considérons la structure du ciment vitreux amorphe qui entoure des débris gélifiés de végétaux ; dans la mesure où ces débris sont bien gélifiés et où l’incarbonisation est avancée, leur structure est très voisine de celle du ciment vitreux.

Cette gelée de base est formée de micelles que révèle l’étude des rayons X diffusés au voisinage dela raie centrale. Ces micelles sont de tailles diverses allant d’une quarantaine à 200 À de diamètre. Elles sont formées elles-mêmes par la réunion de pseudo-cristallites humiques (de substance carbonée) à arrangement graphitoïde. Cet arrangement résulte des données à très courtes distances (quelques angstrôms) des clichés ordinaires Debye-Scherrer.

Ainsi les molécules d'acides humiques dans les lignites jeunes s’empilent, sans être toutes identiques, en cristallites où les cycles hexagonaux de carbone font apparaître une structure graphitoïde: grossière : l'imperfection de la structure tient aux petites dimensions de la molécule d'acide humique qu’entourent des groupes oxygénés phénoliques et acides et qui, en son intérieur a des irrégularités dans l’arrangement hexagonal de ces atomes de carbone par suite de la présence d’hétérocycles oxygénés.

L’irrégularité des molécules entraîne une légère irrégularité de l'empilement des petits feuillets humiques. Ceci explique la largeur des quelques raies Debye données par les charbons et limite dans les trois dimensions de l’espace l’arrangement graphitoïde des atomes de carbone. Il y a empilement de quelques molécules humiques acides de dimensions limitées elles aussi (diamètre d'une vingtaine d’angstrôms). Enfin, la perturbation apportée sur les bords de l’arrangement par la moindre symétrie qui y règne (comme sur toute surface de petit cristal) limite encore la régularité de ces petits cristallites. Par contre, la grande intensité de ces raies floues et le fait qu'elles sont seules (hormis les raies fines et faibles des impuretés minérales) montrent que cet arrangement est le seul qui existe à petite distance dans les charbons et qu’il s’y rencontre partout à cette échelle (Je fais abstraction de structures fibreuses de cellulose ren-

contrées dans quelques cas particuliers et pour des lignites très jeunes).

Ces cristallites sont assemblés dans des micelles (révélées par la diffusion X centrale) de tailles très diverses produisant ainsi une structure très hétérodispersée où les micelles s'échelonnent entre des diamètres allant de 4o à 200 À et même davantage. Ces micelles sont dues à la juxtaposition des cristallites humiques précédents, ce qui explique qu'elles forment des éléments de densité électronique assez homogène; mais un seul cristallite ne peut former chaque micelle et correspondre à des raies Debye plus nombreuses et plus fines car les molécules humiques sont diverses et leurs groupements oxygénés périphériques entraînent au bord de leur empilement une petite perturbation locale qui gêne la continuation d’un arrangement-plan très régulier au delà des limites d’une seule molécule. Il en résulte des cristallites assez semblables mais légèrement désorientés les uns par rapport aux autres dont l’empilement ‘de quelques unités suivant chacüne des trois directions de l’espace définit la micelle élémentaire de #harbon.

Le fait que cette diffusion centrale est faible et tout particulièrement beaucoup moins intense qu’avec les charbons actifs qui né donnent pourtant pas de clichés de diffusion Debye plus riches en raies, tient à ce que ces micelles humiques sont entourées dans le cas des charbons naturels d’une substance carbonée assez voisine, mais plus irrégulière et n’ayant pas la même nature chimique donc présentant une densité électronique différente. De même que la partie organisée et cristallisée des fibres de cellulose est souvent entourée d’une zone de cellulose amorphe, c’est-à-dire plus désordonnée la micelle élémentaire de charbon va être limitée par une zone encore moins régulièrement ordonnée de substance charbonneuse, où les actions perturbatrices d’irrégularités de structure allant en s’ajoutant, produiront un plus grand désordre des éléments de matière carbonée. Par ailleurs, la surface des micelles va concentrer, par effet de surface, les impuretés carbonées de nature non humique (petites molécules organiques, cire, résines, substances humiques différentes, constituants saprépoliens). En effet, c’est dans les surfaces de séparation que se concentrent les impuretés et cela a même été utilisé dans les séparations par les mousses. Enfin, on sait que la couche de passage qui entoure toute particule colloïdale est une zone typiquement hétérogène où les propriétés varient continüment d’un point à un autre à travers la couche.

Cette concentration des impuretés en surface de la micelle accroît de plus la tendance au désordre moléculaire et ainsi la différence de densité électronique avec le cœur de la micelle élémentaire de charbon. :

Ainsi on comprend qu’on puisse par l'effet du désordre molécu-

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laire accroissant une légère hétérogénéité de constitution, déceler des micelles légèrement différenciées d'une zone carbonée qui les baigne, sans que l’analyse par fractionnement

élémentaire des charbons un peu ue el | \ évolués ait pu caractériser des diffé- PR rences chimiques fondamentales entre

Ze . différentes fractions obtenues (fig. 14B).

TN, TA) C’est cet amas de micelles baignant

dans un ensemble de particules car-

\ EN te moins bien ordonnées (ce qui va de

. \—< = /ZV pair) parfois traversées de canaux

ne \ Le y. submicroscopiques qui forme le gel re LE) vitreux fondamental des charbons.

ee SPA @) Les éléments de cette théorie de la

É / Ne \ structure des charbons étant posés il

reste à démontrer qu’elle explique

Fig. 14B. — Schéma les faits connus d’une part et que

d'organisation d’un charbon. Me se les propriétés des charbons qui s’en Les traits représentent les

sections des molécules par un déduisent sont conformes aux phéplan. nomènes observés : ceci tant à

l'échelle amicroscopique que révèlent les rayons X qu’à l’échelle macroscopique classique des propriétés physiques et chimiques.