Carbone

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Carbone
BoreCarboneAzote
   
 
6
C
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
C
Si
Tableau completTableau étendu
Informations générales
Nom, symbole, numéro Carbone, C, 6
Série chimique Non-métaux
Groupe, période, bloc 14, 2, p
Masse volumique 1,8 à 2,1 g·cm-3 (amorphe),

1,9 à 2,3 g·cm-3 (graphite),
3,15 à 3,53 g·cm-3 (diamant),

3,513 g·cm-3 (diamant gemme, 25 °C)1
Dureté 0,5
Couleur Noir (graphite)
No CAS 7440-44-0 2
Propriétés atomiques
Masse atomique 12,01074 ± 0,0008 u1 3
Rayon atomique (calc) 70 pm (67 pm)
Rayon de covalence sp3 0,76 ± 0,01 Å 4

sp2 0,73 ± 0,02 Å 4

sp 0,69 ± 0,01 Å 4
Rayon de van der Waals 150 pm5
Configuration électronique He 2s2 2p2
Électrons par niveau d’énergie 2, 4
État(s) d’oxydation -4, 0, +4, +2
Oxyde Acide faible
Structure cristalline Hexagonal compact
Propriétés physiques
État ordinaire Solide diamagnétique
Point d’ébullition 3 825 °C (sublimation)1
Énergie de vaporisation 355,8 kJ·mol-1
Point triple 4 489 °C, 10 800 kPa
Volume molaire 5,29×10-6 m3·mol-1
Vitesse du son 18 350 m·s-1 à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling) 2,55
Chaleur massique 710 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 61×103 S·m-1
Conductivité thermique 129 W·m-1·K-1
Énergies d’ionisation6
1re : 11,26030 eV 2e : 24,3833 eV
3e : 47,8878 eV 4e : 64,4939 eV
5e : 392,087 eV 6e : 489,99334 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD
MeV
12C 98,93 % stable avec 6 neutrons
13C 1,07 % stable avec 7 neutrons
14C trace 5 730 ans β- 0,156 14N
Précautions
SIMDUT7

Produit non contrôlé
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.

Étymologiemodifier | modifier le code

Le nom carbone vient du latin carbo, carbōnis signifiant « charbon ».

Historiquemodifier | modifier le code

Le nom carbone n'apparaît dans le dictionnaire de l'Académie française, qu'à sa 6e édition (1832-5). La Nomenclature chimique de G. DE MORVEAU (1787) lui consacre cependant déjà un article (article Carbone du TLFi, TLFi).

En 1865 dans une analyse des impacts sur la forêt de la consommation de bois de chauffage à Paris, Becquerel publie les poids de carbone des principales formes de bois d'énergie achetés à l'époque à Paris. Selon lui8.:

Préhistoiremodifier | modifier le code

Le carbone est présent sur terre depuis la formation de celle-ci : il a été produit par nucléosynthèse au cœur des étoiles qui ont explosé avant la formation du système solaire. Il existe sous forme de sédiments, charbon, pétrole, et également sous sa forme pure graphite, diamant. Les diamants naturels pouvant se trouver dans la kimberlite des cheminées d'anciens volcans, notamment en Afrique du Sud et dans l'Arkansas. On peut parfois trouver des diamants microscopiques dans certaines météorites.

Histoiremodifier | modifier le code

Elle est marquée par la considération accrue de l'importance du carbone.

Article connexe : semi-conducteurs.

Nucléosynthèsemodifier | modifier le code

Article détaillé : Nucléosynthèse.

L'élément carbone n'est pas directement issu du Big Bang (nucléosynthèse primordiale), car les conditions de sa formation n'étaient pas réunies (la dilatation et le refroidissement de l'univers ont été trop rapides).

Le carbone est en revanche produit en masse dans le cœur des étoiles très massives, dites de la branche horizontale, où trois noyaux d'hélium fusionnent (réaction triple alpha).

Isotopesmodifier | modifier le code

Article détaillé : Isotopes du carbone.

Le carbone possède deux isotopes stables dans la nature, 12C ( abondance = 98,93 %) et 13C (abondance = 1,07 %). Le premier, 12C, a été choisi comme nucléide de référence unique pour la masse atomique 12, après plusieurs propositions (anciennement l’hydrogène, puis conjointement avec l’oxygène pour les chimistes). La masse atomique du carbone reste cependant légèrement supérieure à 12 à cause de l'autre isotope 13C.

Le radioisotope 14C a une période de 5 730 ans et est couramment utilisé pour la datation d'objets archéologiques jusqu'à 50 000 ans. Il ne sera d'aucune utilité pour les archéologues de demain intéressés par les trésors de la civilisation actuelle car les explosions thermonucléaires réalisées dans l'atmosphère à partir des années 1960 ont créé des excès considérables.

Le radioisotope 11C a une période de 20 minutes. Cette courte période et la relative facilité de substituer un atome de 11C à un atome de carbone 12C (stable) en font un isotope utilisé en médecine nucléaire, notamment en tomographie à émission de positon. Les radiotraceurs les plus utilisés à ce jour sont le 11C-Raclopride qui se fixe préférentiellement sur les récepteurs dopaminergiques D2, et le 11C-Acétate utilisé en imagerie cardiaque.

Structure électroniquemodifier | modifier le code

Le carbone possédant 6 électrons adopte une configuration électronique à l'état fondamental 1s22s22p2. Il possède 4 électrons sur sa couche de valence, ce qui lui permet de former quatre liaisons covalentes, dont des liaisons de type \sigma(première liaison avec un atome) ou de type \pi(seconde ou troisième liaison). Les liaisons de type \pi sont toujours accompagnées d'une liaison de type \sigma. Le recouvrement des fonctions électroniques dans une liaison \pi est plus faible. Ces liaisons sont donc moins « solides ».

Formes du carbonemodifier | modifier le code

Corps simplemodifier | modifier le code

Article détaillé : Formes allotropiques du carbone.
Huit formes du carbone : diamant, graphite, lonsdaléite, buckminsterfullerène et 2 autres fullerènes, amorphe, et nanotube de carbone Huit formes du carbone : diamant, graphite, lonsdaléite, buckminsterfullerène et 2 autres fullerènes, amorphe, et nanotube de carbone
Huit formes du carbone : diamant, graphite, lonsdaléite, buckminsterfullerène et 2 autres fullerènes, amorphe, et nanotube de carbone
Le diamant et le graphite sont les deux formes allotropiques les plus répandues du carbone, elles diffèrent par leur aspect (en haut) et leurs propriétés. Cette différence est due à leur structure (en bas).


Le carbone est présent dans la nature dans deux formes allotropiques principales :

  • le graphite, empilement de structures cristallines hexagonales et monoplanes (graphènes, et de couleur grise. C'est la forme stable à température et pression ambiante ;
  • le diamant, de structure cristalline tétraédrique (structure type « diamant ») est transparent. C'est la forme stable à haute température et haute pression, métastable à température et pression ambiante.

Dans les conditions de pression normales, le carbone est sous la forme graphite, dans laquelle chaque atome est lié à trois autres dans une couche d'anneaux hexagonaux fusionnés, comme ceux des composés aromatiques hydrocarbonés. Grâce à la délocalisation des orbitales \pi, le graphite conduit l'électricité. Le graphite est mou, car les liaisons chimiques entre les plans sont faibles (2 % de celles des plans) et les couches glissent donc facilement les unes par rapport aux autres.

Sous très haute pression, le carbone cristallise dans un système cubique à face centrée nommé diamant, dans lequel chaque atome est lié à quatre autres (distance interatomique de 136 pm). Le diamant, grâce à la résistance des liaisons carbone-carbone, est, avec le nitrure de bore, la matière la plus dure à rayer. À température ambiante, la métamorphose en graphite est si lente qu'elle paraît invisible. Sous certaines conditions, le carbone se cristallise en lonsdaléite, une forme similaire au diamant mais hexagonale. De toutes les pierres précieuses, le diamant est la seule à se consumer complètement.

Le diamant, une des formes cristallines les plus recherchées du carbone Le diamant, une des formes cristallines les plus recherchées du carbone
Le diamant, une des formes cristallines les plus recherchées du carbone
Diagramme de phases simplifié du carbone : phases en fonction de la pression et de la température.


En plus du graphite (pur sp2) et du diamant (pur sp3), le carbone existe sous forme amorphe et hautement désordonnée (a-C). Ces formes amorphes du carbone sont un mélange de sites à trois liaisons de type graphite ou à quatre liaisons de type diamant. De nombreuses méthodes sont utilisées pour fabriquer du a-C : pulvérisation, évaporation par faisceau d'électrons, dépôt à l'arc électrique, ablation laser…

Nanotube de carbone

Le carbone se sublime à 5 100 K. Sous forme gazeuse, il se constitue habituellement en petites chaînes d'atomes appelées carbynes. Refroidies très lentement, celles-ci fusionnent pour former les feuilles graphitiques irrégulières et déformées qui composent la suie. Parmi ces dernières, on trouve en particulier, la forme sphérique monofeuillet appelée fullerène, ou de son nom complet buckminsterfullerène, C60, et ses variétés (Cn n ≤20 ≤100), qui forment des structures extrêmement rigides.

Les oignons de carbone sont des structures basées sur une structure de type fullerène, mais dont la paroi est constituée de plusieurs couches de carbone.

Les formes cylindriques du carbone sont appelées nanotubes (nanotube de carbone, abréviation : NTC). Elles ont été découvertes dans le culot se formant à la cathode de l'arc électrique durant la synthèse de fullerènes. Ces objets de diamètre nanométrique et de longueur atteignant parfois le millimètre se présentent comme des plans de carbone d'épaisseur monoatomique (ou graphène) enroulés sur eux-mêmes et formant un tube de diamètre nanométrique). Les nanotubes dont la paroi n'est constituée que d'un seul plan de carbone sont dits "monofeuillets". Les nanotubes fabriqués par la méthode de l'arc électrique sont presque tous « multifeuillets ».

Le graphène est constitué d'un plan unique de carbone d'épaisseur monoatomique. Le graphène peut être simplement obtenu en prélevant un plan unique de carbone d'un cristal de graphite.

Conjointement à ces structures, on observe un grand nombre de nanoparticules polyédriques. A l'image des oignons et des nanotubes multifeuillets, les observations en microscopie électronique en transmission haute résolution ((en) HRTEM : High-resolution Transmission Electron Microscopy) révèlent que ces nanoparticules de carbone sont constituées de plusieurs couches de graphène, fermées, laissant une cavité nanométrique en leur centre.


Composés du carbonemodifier | modifier le code

Le carbone est le composant essentiel des composés organiques, qui par définition contiennent au moins une liaison carbone-hydrogène. Cependant le carbone existe aussi dans la nature sous forme inorganique, principalement sous la forme de dioxyde de carbone, et sous forme minérale.

Carbone organiquemodifier | modifier le code

La chimie du carbone est essentiellement covalente. Le carbone est à la base d'une multitude de composés pouvant contenir un grand nombre d'atomes, en association avec l'hydrogène, l'oxygène, l'azote, les halogènes, le phosphore, le soufre, et les métaux, par liaisons simples, doubles ou triples. L'étude et la synthèse de ces composés constitue la chimie organique. Les principaux composés organiques du carbone sont les « hydrocarbures » des molécules associant carbone et hydrogène. On classe les hydrocarbures en trois familles :

Suivant le nombre d'atomes de carbone, on fait précéder le suffixe -ane, -ène ou -yne :

  1. méth-
  2. éth-
  3. prop-
  4. but-
  5. pent-
  6. hex-
  7. hept-
  8. oct-
  9. non-
  10. déc-

La rotation est libre autour des liaisons simples carbone-carbone. En revanche, les liaisons doubles ou triples sont rigides : la liaison double est planaire, les angles de liaison autour des atomes de carbone sont 120°. Cela conduit à la formation de diastéréomères, c'est-à-dire de composés ayant la même formule chimique mais une disposition différente des atomes dans l'espace. La liaison triple est linéaire.

En outre, le carbone sp3 peut former des composés chiraux (du grec kheir (ἣ χείρ), la main). Le cas le plus simple est un composé possédant 4 substituants différents autour d'un atome de carbone. Suivant la disposition dans l'espace de ces substituants, on obtient deux molécules qui sont différentes : elles ne sont pas superposables, il s'agit d'une paire d'énantiomères. Les énantiomères sont l'image l'un de l'autre dans un miroir (comme nos deux mains).

Dans les hydrocarbures aromatiques, les atomes de carbone forment des cycles ou noyaux stabilisés par des liaisons π délocalisées.

Carbone inorganiquemodifier | modifier le code

Ce type d'atomes de carbone est relativement rare en termes de variété par rapport aux carbones organique et minéral. Il se présente le plus souvent sous forme de complexes inorganiques ou organo-métalliques qui intègrent un atome de carbone nu ou une molécule de CO ou de CO2, dans leurs sphères de coordination. Par exemple,

  • C dans [Fe5C(CO)15, [Ru6C(CO)179
  • CO dans les nombreux complexes du type Ni(CO)4, Fe(CO)5
  • CO2 dans le complexe [Ni(CO2){P(C6H11)3}20,75 C6H5Me10

Carbone minéralmodifier | modifier le code

La molécule de dioxyde de carbone CO2 existe à l'état gazeux dans l'atmosphère terrestre. Une certaine quantité de ce CO2 se dissout dans les eaux océaniques et continentales, et une partie du CO2 dissout réagit avec la molécule d'eau pour former de l'acide carbonique H2CO3 suivant la réaction

H20 + CO2(dissout) ⇔ H2CO3

Puis H2CO3 (dihydrogénocarbonate=acide carbonique) étant un diacide, cède ses deux protons dans la mesure des constantes d'acidités des couples acido-basiques (H2CO3/HCO3-) et (HCO3-/CO32-) et de la composition initiale en solutés acido-basiques de l'eau selon les équations

H2CO3 + H2O ⇔ HCO3- (ion hydrogénocarbonate=bicarbonate) + H3O+ (ion hydronium=proton hydraté)

et

HCO3- + H2O ⇔ CO32- (ion carbonate) + H3O+

Or il se trouve que dans l'eau de mer, ce système de carbonates est présent en grandes quantités et dans des proportions telles qu'il joue un rôle tampon fondamental dans l'acidité de l'eau océanique (pH 8,1-8,4) qu'il permet de rendre très stable. Ce taux de carbonates (et de borates, pour être exact) s'appelle l'alcalinité ou titre alcalimétrique complet (TAC, mesuré en degrés français, ou kH mesuré en °allemands ; il existe d'autres unités. Le mieux est de parler en ppm, ou parties par million). Ce pH a permis à des quantités "géologiques" de tests calcaires de protozoaires planctoniques de former des roches sédimentaires calcaires constituées essentiellement d'un cristal de carbonate de calcium et de magnésium (mélange qu'on appelle le calcaire) : la pierre de Paris, le marbre, etc. Toute cette chimie est traditionnellement incluse dans la chimie inorganique, c'est-à-dire minérale, bien qu'il y ait évidemment de nombreux points sur lesquels cela ne se justifie pas. Ainsi, on pourra qualifier le carbone contenu dans le dioxyde de carbone, l'acide carbonique, l'hydrogénocarbonate et le carbonate, de carbone inorganique. C'est aussi valable pour le carbone diamant et les autres variétés allotropiques du cristal de carbone.

Dangers du carbone et de ses composésmodifier | modifier le code

Le carbone pur a une faible toxicité pour les humains et peut être manipulé et même ingéré en toute sécurité sous la forme de graphite ou de charbon de bois. Il est résistant à la dissolution ou l'attaque chimique, même dans le contenu acide du tractus digestif, par exemple.

En revanche, le (di)sulfure de carbone CS2, quoique de structure similaire au dioxyde de carbone, est un liquide hautement toxique utilisé comme solvant (vulcanisation du caoutchouc).

Les autres oxydes de carbone sont le monoxyde de carbone CO, et le suboxyde de carbone C3O2, moins commun. Le monoxyde de carbone est un gaz incolore et inodore, formé par combustion incomplète des composés organiques ou du carbone pur (charbon). Le monoxyde de carbone se lie plus fortement que l'oxygène, à l'hémoglobine sanguine pour former de la carboxyhémoglobine, un composé stable. Le résultat de cette réaction est l'empoisonnement des molécules d'hémoglobine, ce qui peut être mortel (voir l'entrée en question).

L'ion cyanure CN- a un comportement chimique similaire à un ion halogénure. Les sels contenant l'ion cyanure sont hautement toxiques. Le cyanogène, un gaz de composition (CN)2 est également proche des halogènes.

Avec les métaux, le carbone forme des carbures C4- ou des acétylures C22-. Quoi qu'il arrive, avec une électronégativité de 2,5, le carbone préfère former des liaisons covalentes. Quelques carbures sont des treillis covalents, comme le carbure de silicium, SiC, qui ressemble au diamant, et est d'ailleurs utilisé pour la taille de ceux-ci.

La toxicité des nouvelles structure de carbone (fullerène, nanotubes, graphène) est aujourd'hui très étudiée. A l'état natif, ces nanostructures restent difficiles à filtrer dans l'air et pourraient être un danger qu'il est nécessaire d'évaluer. Voir le site de : l'Institut National de Recherche et de Sécurité pour la prévention des accidents du travail et des maladies professionnelles (INRS) et le document associé. À noter que dans le cadre de leur utilisation, ces composés se trouvent généralement dispersés dans un solvant, ou fixés sur un substrat solide.

Notes et référencesmodifier | modifier le code

  1. a, b et c (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc,‎ 2009, 90e éd., Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)
  2. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  3. L' IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights donne: min: 12,0096 max: 12,0116 moy: 12,0106 ± 0,001; valeur cohérente avec une teneur en isotope 13 de 1,0565 %
  4. a, b et c (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, « Covalent radii revisited », Dalton Transactions,‎ 2008, p. 2832 - 2838 (DOI 10.1039/b801115j)
  5. Paul Arnaud, Brigitte Jamart, Jacques Bodiguel, Nicolas Brosse, Chimie Organique 1er cycle/Licence, PCEM, Pharmacie, Cours, QCM et applications, Dunod,‎ 8 juillet 2004, Broché, 710 p. (ISBN 2100070355)
  6. "Ionization Energies of Atoms and Atomic Ions," in CRC Handbook of Chemistry and Physics, 91st Edition (Internet Version 2011), W. M. Haynes, ed., CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL., p. 10-203
  7. « Carbone » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
  8. Becquerel (Antoine César, M.), Mémoire sur les forêts et leur influence climatérique (exemplaire numérisé par Google) ; 1865 voire pages 124 et suivantes
  9. Chemistry of the elements, N.N. Greenwood and A. Earnshaw, Pergamon press, 1994, p. 356. (ISBN 8-08-022056-8).
  10. Chemistry of the elements, N.N. Greenwood and A. Earnshaw, Pergamon press, 1994, p. 331. (ISBN 8-08-022056-8).

Voir aussimodifier | modifier le code

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Articles connexesmodifier | modifier le code

Liens externesmodifier | modifier le code


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1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
   
  g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18  
  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto  


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Métaux alcalins  Métaux alcalino-terreux  Métaux de transition Métaux pauvres
Lanthanides Actinides Superactinides Éléments non classés








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