Carbone - Définition et Explications

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Etymologie

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

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 (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 (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) est en revanche produit en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) 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).

Historique

Le nom carbone 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).

Préhistoire

Le carbone est présent sur terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) depuis la formation de celle-ci : il a été produit par nucléosynthèse (La nucléosynthèse est un ensemble de processus physiques conduisant à la synthèse de noyaux...) au coeur des étoiles qui ont explosé avant la formation du système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le...). Il existe sous forme de sédiments, charbon, pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de...), et également sous sa forme pure graphite, diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la...). 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.

Histoire

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

  • Deuxième millénaire (Un millénaire est une période de mille années, c'est-à-dire de dix siècles.) (tradition de moines fondeurs, comme les Pères Chartreux, etc. - Elaboration (métallurgie) de fontes et aciers.
  • Elaboration de la cémentation, « plus vieux » traitement connu en thermochimie.
  • 1797 - Découverte de la forme « diamant » (voir article diamant synthétique).
  • 1828 - Découverte des composés organiques et de la chimie organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant l'étude scientifique de...) (voir article Friedrich Wöhler).
  • 1842 - Avec la RDM, August Wöhler pose les fondements de la future « science des matériaux ».

Chimie

Corps simple

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 (Les nanotubes de carbone sont une forme allotropique du carbone appartenant à la famille des...)
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 (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) grise. C'est la forme stable à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) et pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) 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 (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 bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.), 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 lonsdaléite, une forme similaire au diamant mais hexagonale. 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...).

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 (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.


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)...)...

Nanotube (Le nanotube est une structure cristalline particulière, de forme tubulaire, creuse et close,...) 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. 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, C. 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 (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) 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 (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « 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 ((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. Les nanotubes de carbone sont d'excellents dopants mécaniques utilisés pour les ailes d'avions, par exemple afin d'améliorer leur dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et...) tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en conservant une bonne flexibilité.

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

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