Données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose,...)  v · d · m
Bore - Carbone (Table complète - Table étendue) - Azote (Table complète - Table étendue) - C Si         6 C                                                                                                                                                                                                                                           Table complète - Table étendue
Général
Nom, Symbole, Numéro	Carbone, C, 6
Série chimique	Non-métaux
Groupe, Période, Bloc	14, 2, p
Masse volumique (Pour toute substance homogène, le rapport de la Masse (La masse est une propriété fondamentale de la matière qui se manifeste à la fois par l'inertie des corps et leur...) m correspondant à un Volume (En physique, le volume d'un objet mesure « l'extension dans l'espace » qu'il possède dans les trois...) V de cette substance est indépendante...)	G: 2 267 D: 3 520 kg/m3
Couleur	Noir (G)
Propriétés atomiques
Masse atomique (La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope (Le noyau d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la...) est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes...) d'un élément chimique est la masse relative d'un atome de...)	12,0107 u
Rayon atomique (calc)	70 (67) pm
Rayon de covalence	77 pm
Rayon de van der Waals	170 pm
Configuration électronique	[He] 2s2 2p2
Électrons par niveau d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la...)	2, 4
État(s) d'oxydation	4, 2
Oxyde	Acide faible (Un Acide faible est un acide qui ne se dissocie pas totalement dans l'eau : lorsqu'un acide faible AH est mis en...)
Structure cristalline	Hexagonale
Propriétés physiques
État ordinaire	Solide diamagnétique
Température (La température d'un système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des particules, c'est-à-dire de...) de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps...)	3 773 K
Température de vaporisation	5 100 K
Énergie de fusion	N/A kJ/mol
Énergie de vaporisation	355,8 kJ/mol
Volume molaire	5,29×10-6 m3/mol
Pression (La pression est la force exercée sur une surface donnée.) de la vapeur ()	??
Vélocité (VéloCité est un service de prêt gratuit mis en place par la ville d'Angers qui fournit aux personnes qui habitent ou...) du son	18 350 m/s à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling)	2,55
Chaleur massique (La Chaleur massique (symbole c ou s), qu'il convient d'appeler capacité thermique massique[1] est déterminée par la...)	710 J/(kg·K)
Conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se déplacer librement,...)	61×103 S/m
Conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert de...)	129 W/(m·K)
1er potentiel d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la...)	1 086,5 kJ/mol
2e potentiel d'ionisation	2 352,6 kJ/mol
3e potentiel d'ionisation	4 620,5 kJ/mol
4e potentiel d'ionisation	6 222,7 kJ/mol
5e potentiel d'ionisation	37 831,1 kJ/mol
6e potentiel d'ionisation	47 277,0 kJ/mol
Isotopes les plus stables
iso AN période MD Ed MeV PD 12C 98,9% stable avec 6 neutrons 13C 1,1% stable avec 7 neutrons 14C trace 5730 ans β- 0,156 14N
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique (Le numéro atomique (Z) est le terme employé en Chimie (La chimie est la science qui étudie la composition et les réactions de la matière.) et en physique pour représenter le nombre (Un nombre est un concept caractérisant une unité, une collection d'unités ou une fraction d'unité.) de protons du noyau...) 6 et de masse atomique 12,0107.

Historique et étymologie

Le diamant, une des formes cristallines les plus recherchées du carbone

Le carbone a été découvert dès la préhistoire et était produit par la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique (c’est-à-dire accompagnée d’une production d'énergie...) incomplète des matières organiques produisant du charbon. Il était également connu sous sa forme diamant, les diamants naturels pouvant se trouver dans la kimberlite des cheminées d'anciens volcans, notamment en Afrique du Sud (Sud est un nom :) et dans l'Arkansas. On peut parfois trouver des diamants microscopiques dans certaines météorites.

Le nom carbone vient du latin carbo, carb?nis signifiant « charbon ». Il n'apparaît dans le dictionnaire de L'Académie (Une académie est une assemblée de gens de lettres, de savants et/ou d'artistes reconnus par leurs pairs, qui a pour...) française, qu'à sa 6^e édition (1832-5)

Nucléosynthèse (La nucléosynthèse est un ensemble de processus physiques conduisant à la synthèse de noyaux atomiques, par fission ou...)

L'élément carbone n'est pas directement issu du Big Bang (Le Big Bang[1] désigne l’époque dense et chaude qu’a connue l’univers il y a environ 13,7 milliards...) (nucléosynthèse primordiale), car les conditions de sa formation n'étaient pas réunies (la dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement, généralement imperceptible. Dans...) et le refroidissement de l'univers (On nomme univers l'ensemble de tout ce qui existe, comprenant la totalité des êtres et des choses (celle-ci comprenant...) 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 (Table complète - Table étendue) fusionnent (réaction triple alpha).

Chimie

Le carbone pur est présent dans la nature dans deux formes courantes:

• Le graphite, de structure cristalline hexagonale et de couleur grise, c'est de loin la forme la plus courante,
• Le diamant, de structure cristalline tétraédrique et de couleur transparente.

Structure électronique

Le carbone comporte 4 électrons sur sa couche externe (  Ne pas confondre couche de valence et valence) ((K)2 (L)4)(2s², 2p²) et peut former une liaison σ et trois liaisons π : il s'agit donc d'un élément tétravalent (sauf dans le cas de certaines réactions intermédiaires ou dans la famille des carbènes, à carbone divalent, les deux électrons 2s ne participant pas à la liaison). Il a une grande affinité pour d'autres atomes légers, dont lui-même, et sa petite taille lui permet de former de multiples liaisons par hybridation de ses orbitales (sp ou « triple liaison » linéaire, sp² ou « double liaison » planaire avec des angles de 120° , sp³ ou « simple liaison » tétraédrique) : cela explique la multitude de composés à base de carbone dont l'étude constitue la chimie organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules...).

Formes courantes

La forme la plus courante du carbone est le dioxyde de carbone CO₂, qui est l'un des composants minoritaires de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) terrestre produit et métabolisé par les êtres vivants. Le CO₂ est un composé majoritaire de l'atmosphère d'autres planètes comme Vénus.

Dans l'eau (L’eau (que l'on peut aussi appeler oxyde de dihydrogène, hydroxyde d'hydrogène ou acide hydroxyque) est un...), il forme de très faibles quantités d'acide carbonique, H₂CO₃, qui produit des ions carbonate CO₃^2- ou hydrogénocarbonate (bicarbonate) HCO₃^-. Beaucoup de minéraux sont des carbonates, notamment les diverses formes de calcaire (calcite, craie, marbre...). On connaît les propriétés thérapeutiques du bicarbonate de sodium NaHCO₃.

Dangers du carbone et de ses composés

Selon leur forme et leur taille, les assemblages de carbone peuvent interagir avec les systèmes biologiques.

Les nanotubes de carbone présentent des risques pour la santé^{[réf. nécessaire]}

]]

Le (di)sulfure de carbone CS₂, quoique de structure similaire au dioxyde de carbone, est un liquide (La phase liquide est un état de la matière.) 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 (Au niveau microscopique, on décrit un gaz comme un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi...) incolore et inodore, formé par combustion incomplète des composés organiques ou du carbone pur (charbon). Il possède une structure semirésonante, la longueur (La longueur d’un objet représente la distance entre deux de ses extrémités, les plus éloignées possibles. Lorsque...) de sa liaison (111 pm) indiquant une nature hybride, ce qui conduit à le représenter par la formule :

Le monoxyde de carbone s'attache, préférentiellement à 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^- et un comportement chimique similaire à un ion halogénure. Les sels contenant l'ion cyanure sont hautement toxiques. Le cyanogène (Le cyanogène (en anglais cyanogen ou carbon nitride) est un gaz incolore dont l'odeur est proche de celle de l'amande.), un gaz de composition (CN)₂ est également proche des halogènes.

Avec les métaux, le carbone forme des carbures C^4- ou des acétylures C₂^2-. 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 (Un carbure est un composé chimique du carbone avec un deuxième élément chimique autre que l’oxygène. Ils...) de silicium, SiC, qui ressemble au diamant, et est d'ailleurs utilisé pour la taille de ceux-ci.

Les nanotechnologies permettent de produire des molécules particulières, dont les fullerènes, et des nanofils ou nanotubes difficiles à filtrer dans l'air, et qui peuvent passer à travers les muqueuses et percer les enveloppes cellulaires. Certains craignent des effets différés comme on en a trouvé pour l'amiante.

Hydrocarbures

On appelle hydrocarbures les molécules associant carbone et hydrogène (Table complète - Table étendue). On classe les hydrocarbures en trois familles :

• les alcanes, où le carbone forme des liaisons sp³ (« simples »): méthane (Le méthane (R50) est un hydrocarbure de la famille des alcanes.) CH₄, éthane C₂H₆, etc. ;
• les alcènes, où au moins un carbone forme des liaisons sp² (« double ») : éthylène C₂H₄, propène C₃H₆, etc. ;
• les alcynes, où au moins un carbone forme des liaisons sp (« triple ») : acétylène C₂H₂, propyne C₃H₄, etc.

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

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

Seul le carbone sp³ donne lieu à des liaisons mobiles. Les autres liaisons, sp ou sp² sont rigides : la liaison double sp² est planaire, chacune des deux autres liaisons formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la...) un angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) de 120°, la liaison triple est linéaire. Cela conduit à la formation d'énantiomères, c'est-à-dire de corps ayant la même formule chimique mais des conformations spatiales différentes.

En outre, le carbone sp³ peut former des composés asymétriques, il apparaît alors un phénomène de chiralité (du grec ?η χε?ρ, la main, les molécules sont symétriques l'une de l'autre selon un plan de symétrie, comme nos deux mains)

Dans les hydrocarbures aromatiques, les atomes de carbone forment des cycles ou noyaux stabilisés par des liaisons π délocalisées. Ils se mélangent dans diverses formes de carbone pur. Il y a encore plus de dérivés hydrocarbonés, comme par exemple les halogénures, les alcools et les acides carboxyliques.

Allotropes

Diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des...) de phases simplifié du carbone : phases en fonction de la pression et de la température.

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 π, le graphite conduit l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par...). 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 matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont...) 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 lonsdaleite, une forme similaire au diamant mais hexagonale. Notons que, de toutes les pierres précieuses, le diamant est la seule à se consumer complètement.

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 (Un mélange est une réunion de deux ou plusieurs substances.) 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 (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est...) par faisceau d'électrons, dépôt à l'arc électrique (Un arc électrique est un courant électrique visible dans un milieu isolant (gaz, vide...). La découverte de ce...), ablation laser (L'effet laser est un principe d'amplification cohérente de la lumière par émission stimulée. Laser est l'acronyme...)...

Le carbone se sublime à 4 100 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. En particulier, parmi ces dernières, on trouve des formes où les feuilles sont pliées dans une forme stable et close comme une sphère (Une sphère est une surface à 3 dimensions dont tous les points sont situés à une même distance d'un point appelé...) ou un tube, appelées fullerènes, comme le buckminsterfullerène, C₆₀. Certaines de ces formes sont aussi connues sous le nom de « footballène », et ont des propriétés qui n'ont pas encore été toutes analysées, mais apparaissent comme des structures extrêmement rigides.

Les formes cylindriques du carbone sont appelées nanotubes et ont été découvertes dans le culot se formant à la cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction cathodique. Elle correspond à...) de l'arc électrique durant la synthèse de fullerènes. Ces objets de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du...) nanométrique et de longueur atteignant parfois le millimètre se présentent comme des couches de graphène enroulées sur elles-mêmes.

Les nanotubes fabriqués par la méthode de l'arc électrique sont presque tous « multifeuillets », conjointement à ces nanotubes on observe un grand nombre de nanoparticules polyédriques. Les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide...) en Microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur)...) électronique en transmission haute résolution (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.

Et enfin les oignons de carbone sont à la base des fullerènes multicouches.

Isotopes

Le carbone possède deux isotopes stables dans la nature, ¹²C (98,89 %) et ¹³C (1,11 %).

Le radioisotope (Les radioisotopes, radionucléides ou radioéléments, contraction de radioactivité et d'isotope, sont des atomes dont le...) 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 (La médecine est une science, un art, et une technique dont l'objet est à la fois l'étude du corps humain et de son...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :), notamment en Tomographie à émission de positon. Les radiotraceurs les plus utilisés à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux...) sont le ¹¹C-Raclopride qui se fixe préférentiellement sur les récepteurs dopaminergiques D2, et le ¹¹C-Acétate utilisé en imagerie cardiaque.

Notes et références