Carbone - Définition

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Données   
Bore - Carbone - Azote
-
C
Si
 
 
 
 
6
C
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               

Table complète - Table étendue

Général
Nom, Symbole, Numéro Carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...), C, 6
Série chimique Non-métaux
Groupe, Période, Bloc 14, 2, p
Masse volumique (La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par...) G: 2 267 D: 3 520 kg/m3
Couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) Noir (G)
Propriétés atomiques
Masse atomique (La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope d'un élément chimique est la masse...) 12,0107 u
Rayon atomique (Le rayon atomique d'un élément chimique est une mesure de la taille de ses atomes,...) (calc) 70 (67) pm
Rayon de covalence (En chimie, le rayon de covalence correspond à la moitié de la distance entre deux noyaux...) 77 pm
Rayon de van der Waals 170 pm
Configuration électronique (En physique des particules comme en chimie quantique, la configuration électronique est la...) [He] 2s2 2p2
Électrons par niveau d'énergie 2, 4
État(s) d'oxydation 4, 2
Oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins...) Acide faible (Un acide faible est un acide qui ne se dissocie pas totalement dans l'eau : lorsqu'un acide...)
Structure cristalline (La structure cristalline (ou structure d'un cristal) est complètement décrite par les...) Hexagonale
Propriétés physiques
État ordinaire Solide diamagnétique
Température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) 3 773 K
Température de vaporisation 5 100 K
Énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de fusion N/A kJ/mol
Énergie de vaporisation 355,8 kJ/mol
Volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) molaire 5,29×10-6 m3/mol
Pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) de la vapeur ()  ??
Vélocité (VéloCité est un service de prêt gratuit mis en place par la ville d'Angers qui fournit aux...) 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...) 710 J/(kg·K)
Conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se...) 61×103 S/m
Conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des...) 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...) 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 et en physique pour représenter le nombre...) 6 et de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) atomique 12,0107.

Historique et étymologie

Le diamant, une des formes cristallines les plus recherchées du carbone
Le diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la...), 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 d'oxydoréduction. Lorsque la...) 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 (D’une superficie de 30 221 532 km2 en incluant les îles,...) du Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) 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...) française, qu'à sa 6e édition (1832-5)

Nucléosynthèse (La nucléosynthèse est un ensemble de processus physiques conduisant à la synthèse de noyaux...)

L'élément carbone n'est pas directement issu du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a...) (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,...) et le refroidissement de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) 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 (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) fusionnent (réaction triple alpha).

Chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...)

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

  • Le graphite (Le graphite est un minéral qui est, avec le diamant, la lonsdaléite et la chaoite, l'un...), 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 (Les planaires sont des vers plats libres nageurs ou rampants. Des espèces vivent en mer,...) 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 l'étude scientifique de...).

Formes courantes

La forme la plus courante du carbone est le dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un...) CO2, qui est l'un des composants minoritaires de l'atmosphère terrestre (L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse entourant la Terre solide. L'air sec se compose...) produit et métabolisé par les êtres vivants. Le CO2 est un composé majoritaire de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) d'autres planètes comme Vénus.

Dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...), il forme de très faibles quantités d'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions...) carbonique, H2CO3, qui produit des ions carbonate CO32- ou hydrogénocarbonate (bicarbonate) HCO3-. Beaucoup de minéraux sont des carbonates, notamment les diverses formes de calcaire (Les calcaires sont des roches sédimentaires, troisièmes plus abondantes après les...) (calcite, craie, marbre (Le marbre est une roche métamorphique dérivée du calcaire, existant dans une grande...)...). On connaît les propriétés thérapeutiques du bicarbonate de sodium (L'hydrogénocarbonate de sodium ou bicarbonate de sodium ou carbonate monosodique ou...) NaHCO3.

Dangers du carbone et de ses composés

Selon leur forme et leur taille, les assemblages de carbone peuvent interagir avec les systèmes biologiques.
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]
Les nanotubes de carbone présentent des risques pour la santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste...)[réf. nécessaire]

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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. Sous cette forme, la matière est...) hautement toxique utilisé comme solvant (Un solvant (également nommé en suisse romande thinner pour les solvants puissant) est un...) (vulcanisation du caoutchouc).

Les autres oxydes de carbone sont le monoxyde de carbone (Le monoxyde de carbone est un des oxydes du carbone. Sa formule brute s'écrit CO et sa formule...) CO, et le suboxyde de carbone (Le suboxyde de carbone ou sous-oxyde de carbone ou dioxyde de tricarbone est un oxyde de carbone de...) C3O2, moins commun. Le monoxyde de carbone est un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) 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 est la distance entre ses deux extrémités les plus...) de sa liaison (111 pm) indiquant une nature hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés,...), ce qui conduit à le représenter par la formule :

\left[\  \mathrm{C}^-\equiv \mathrm{O}^+ \quad\leftrightarrow\quad \mathrm{C=O} \quad\leftrightarrow\quad \mathrm{C}^+-\mathrm{O}^-\  \right]

Le monoxyde de carbone s'attache, préférentiellement à l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...), à l'hémoglobine (L'hémoglobine est une protéine dont la principale fonction est le transport du...) 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 (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais,...) cyanure (Les cyanures sont les composés de l'anion CN-, formé d'un atome de carbone lié par...) 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...), 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 (Le carbure de silicium est un minéral presque exclusivement artificiel, une céramique...), 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 (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...), et qui peuvent passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) à travers les muqueuses et percer les enveloppes cellulaires. Certains craignent des effets différés comme on en a trouvé pour l'amiante (L’amiante (nom masculin) est un terme désignant des minéraux à texture...).

Hydrocarbures

On appelle hydrocarbures les molécules associant carbone et hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.). On classe les hydrocarbures en trois familles :

  • les alcanes, où le carbone forme des liaisons sp3 (" simples "): méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la...) 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 (L’acétylène (appelé éthyne par la nomenclature IUPAC) est un...) C2H2, propyne (Le propyne est un composé insaturé aliphatique de formule chimique C3H4. C'est un gaz...) C3H4, etc.

Suivant le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « 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...) un angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) 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 (La main est l’organe préhensile effecteur situé à...), les molécules sont symétriques l'une de l'autre selon un plan de symétrie (De manière générale le terme symétrie renvoie à l'existence, dans une...), 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 de phases simplifié du carbone : phases en fonction de la pression et de la température.
Diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées,...) 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 (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) 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...). 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 (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) 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 (Le nitrure de bore est un composé chimique du bore et de l'azote, de formule chimique brute BN...), la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) la plus dure à rayer. À température ambiante, la métamorphose en graphite est si lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) 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 (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...).

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 association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) 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 (Le terme de pulvérisation a été introduit en 1975 par J. M. Steele dans sa...), évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente...) par faisceau d'électrons, dépôt à l'arc électrique (Un arc électrique est un courant électrique visible dans un milieu isolant (gaz, vide...). La...), ablation laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...)...

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 (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une...) ou un tube, appelées fullerènes, comme le buckminsterfullerène (Le buckminsterfullerène, parfois également appelé footballène est une...), 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...) 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...) nanométrique et de longueur atteignant parfois le millimètre se présentent comme des couches de graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) 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...) en Microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) 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...) 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 (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique...) utilisé en médecine nucléaire (La médecine nucléaire est l'ensemble des applications médicales des radiotraceurs,...), 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...) sont le 11C-Raclopride qui se fixe préférentiellement sur les récepteurs dopaminergiques D2, et le 11C-Acétate utilisé en imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) cardiaque.

Notes et références

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