Carbone

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Carbone
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Carbone
Bore ‚Üź Carbone ‚Üí Azote
‚ÄĒ
   

6
C
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
‚ÜĎ
C
‚Üď
Si
Table compl√®te ‚ÄĘ Table √©tendue
Informations générales
Nom, symbole, numéro Carbone, C, 6
Série chimique Non-métaux
Groupe, période, bloc 14, 2, p
Masse volumique 1,8 √† 2,1 g¬∑cm-3 (amorphe),

1,9 √† 2,3 g¬∑cm-3 (graphite),
3,15 √† 3,53 g¬∑cm-3 (diamant),

3,513 g¬∑cm-3 (diamant gemme, 25 ¬įC)[1]
Dureté 0,5
Couleur Noir (graphite)
No CAS 7440-44-0 [2]
Propriétés atomiques
Masse atomique 12,0107 ¬Ī 0,0008 u[1]
Rayon atomique (calc) 70 pm (67 pm)
Rayon de covalence sp3 0,76 ¬Ī 0,01 √Ö [3]

sp2 0,73 ¬Ī 0,02 √Ö [3]

sp 0,69 ¬Ī 0,01 √Ö [3]
Rayon de van der Waals 150 pm[4]
Configuration électronique [He] 2s2 2p2
√Člectrons par niveau d‚Äô√©nergie 2, 4
√Čtat(s) d‚Äôoxydation -4, 0, +4, +2
Oxyde Acide faible
Structure cristalline Hexagonale
Propriétés physiques
√Čtat ordinaire Solide diamagn√©tique
Point d‚Äô√©bullition 3 825 ¬įC (sublimation)[1]
√Čnergie de vaporisation 355,8 kJ¬∑mol-1
Point triple 4 489 ¬įC
Volume molaire 5,29√ó10-6 m3¬∑mol-1
Vitesse du son 18 350 m¬∑s-1 √† 20 ¬įC
Divers
√Člectron√©gativit√© (Pauling) 2,55
Chaleur massique 710 J¬∑kg-1¬∑K-1
Conductivit√© √©lectrique 61√ó103 S¬∑m-1
Conductivit√© thermique 129 W¬∑m-1¬∑K-1
√Čnergies d‚Äôionisation[5]
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 98,9 % stable avec 6 neutrons
13C 1,1 % stable avec 7 neutrons
14C trace 5 730 ans ő≤- 0,156 14N
Précautions
SIMDUT[6]
Produit non contr√īl√©
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.

Sommaire

√Čtymologie

Le nom carbone vient du latin carbo, carbŇćnis signifiant ¬ę charbon ¬Ľ.

Historique

Le nom carbone n'appara√ģt dans le dictionnaire de l'Acad√©mie fran√ßaise, qu'√† sa 6e √©dition (1832-5).

Préhistoire

Le carbone est pr√©sent sur terre depuis la formation de celle-ci : il a √©t√© produit par nucl√©osynth√®se au cŇďur des √©toiles qui ont explos√© avant la formation du syst√®me solaire. Il existe sous forme de s√©diments, charbon, p√©trole, et √©galement sous sa forme pure graphite, diamant. Les diamants naturels pouvant se trouver dans la kimberlite des chemin√©es d'anciens volcans, notamment en Afrique du Sud et dans l'Arkansas. On peut parfois trouver des diamants microscopiques dans certaines m√©t√©orites.

Histoire

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

Article connexe : semi-conducteurs.

Nucléosynthèse

Article d√©taill√© : Nucl√©osynth√®se.

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 cŇďur des √©toiles tr√®s massives, dites de la branche horizontale, o√Ļ trois noyaux d'h√©lium fusionnent (r√©action triple alpha).

Isotopes

Le carbone poss√®de deux isotopes stables dans la nature, 12C (98,89 %) et 13C (1,11 %). Le premier, 12C, a √©t√© choisi comme nucl√©ide de r√©f√©rence unique pour la masse atomique 12, apr√®s plusieurs propositions (anciennement l‚Äôhydrog√®ne, puis conjointement avec l‚Äôoxyg√®ne pour les chimistes). La masse atomique du carbone reste cependant l√©g√®rement sup√©rieure √† 12 √† cause de la pr√©valence de ses autres isotopes.

Le radioisotope 14C a une p√©riode de 5 730 ans et est couramment utilis√© pour la datation d'objets arch√©ologiques jusqu'√† 50 000 ans. Il ne sera d'aucune utilit√© pour les arch√©ologues de demain int√©ress√©s par les tr√©sors de la civilisation actuelle car les explosions thermonucl√©aires r√©alis√©es dans l'atmosph√®re √† partir des ann√©es 1960 ont cr√©√© des exc√®s consid√©rables.

Le radioisotope 11C a une p√©riode de 20 minutes. Cette courte p√©riode et la relative facilit√© de substituer un atome de 11C √† un atome de carbone 12C (stable) en font un isotope utilis√© en m√©decine nucl√©aire, notamment en tomographie √† √©mission de positron. Les radiotraceurs les plus utilis√©s √† ce jour sont le 11C-Raclopride qui se fixe pr√©f√©rentiellement sur les r√©cepteurs dopaminergiques D2, et le 11C-Ac√©tate utilis√© en imagerie cardiaque.

Chimie

Corps simple

Article d√©taill√© : Formes allotropiques du carbone.
Huit formes du carbone : diamant, graphite, lonsdal√©ite, buckminsterfuller√®ne et 2 autres fuller√®nes, amorphe, et nanotube de carbone Huit formes du carbone : diamant, graphite, lonsdal√©ite, buckminsterfuller√®ne et 2 autres fuller√®nes, amorphe, et nanotube de carbone
Huit formes du carbone : diamant, graphite, lonsdal√©ite, buckminsterfuller√®ne et 2 autres fuller√®nes, 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 pr√©sent dans la nature dans deux formes allotropiques principales :

  • le graphite, empilement de structures cristallines hexagonales et monoplanes (graph√®nes, et de couleur grise. C'est la forme stable √† temp√©rature et pression ambiante.
  • le diamant, de structure cristalline t√©tra√©drique (structure type ¬ę diamant ¬Ľ) est transparent. C'est la forme stable √† haute temp√©rature et haute pression, m√©tastable √† temp√©rature et pression ambiante.

Dans les conditions de pression normales, le carbone est sous la forme graphite, dans laquelle chaque atome est li√© √† trois autres dans une couche d'anneaux hexagonaux fusionn√©s, comme ceux des compos√©s aromatiques hydrocarbon√©s. Gr√Ęce √† la d√©localisation des orbitales ŌÄ, le graphite conduit l'√©lectricit√©. 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 tr√®s haute pression, le carbone cristallise dans un syst√®me cubique √† face centr√©e nomm√© diamant, dans lequel chaque atome est li√© √† quatre autres (distance interatomique de 136 pm). Le diamant, gr√Ęce √† la r√©sistance des liaisons carbone-carbone, est, avec le nitrure de bore, la mati√®re la plus dure √† rayer. √Ä temp√©rature ambiante, la m√©tamorphose en graphite est si lente qu'elle para√ģt invisible. Sous certaines conditions, le carbone se cristallise en lonsdal√©ite, une forme similaire au diamant mais hexagonale. De toutes les pierres pr√©cieuses, le diamant est la seule √† se consumer compl√®tement.

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 simplifi√© du carbone : phases en fonction de la pression et de la temp√©rature.


En plus du graphite (pur sp2) et du diamant (pur sp3), le carbone existe sous forme amorphe et hautement d√©sordonn√©e (a-C). Ces formes amorphes du carbone sont un m√©lange de sites √† trois liaisons de type graphite ou √† quatre liaisons de type diamant. De nombreuses m√©thodes sont utilis√©es pour fabriquer du a-C : pulv√©risation, √©vaporation par faisceau d'√©lectrons, d√©p√īt √† l'arc √©lectrique, ablation laser‚Ķ

Nanotube de carbone

Le carbone se sublime √† 5 100 K. Sous forme gazeuse, il se constitue habituellement en petites cha√ģnes d'atomes appel√©es carbynes. Refroidies tr√®s lentement, celles-ci fusionnent pour former les feuilles graphitiques irr√©guli√®res et d√©form√©es qui composent la suie. En particulier, parmi ces derni√®res, on trouve des formes o√Ļ les feuilles sont pli√©es dans une forme stable et close comme une sph√®re ou un tube, appel√©es fuller√®nes, comme le buckminsterfuller√®ne, C60. Certaines de ces formes sont aussi connues sous le nom de ¬ę football√®ne ¬Ľ et ont des propri√©t√©s qui n'ont pas encore √©t√© toutes analys√©es, mais apparaissent comme des structures extr√™mement rigides.

Les formes cylindriques du carbone sont appelées nanotubes et 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 couches de graphène enroulées sur elles-mêmes.

Les nanotubes fabriqu√©s par la m√©thode de l'arc √©lectrique sont presque tous ¬ę multifeuillets ¬Ľ. Conjointement √† ces nanotubes, on observe un grand nombre de nanoparticules poly√©driques. Les observations en microscopie √©lectronique en transmission haute r√©solution ((en) HRTEM : High-resolution Transmission Electron Microscopy) r√©v√®lent que ces nanoparticules de carbone sont constitu√©es de plusieurs couches de graph√®ne, ferm√©es, laissant une cavit√© nanom√©trique en leur centre. Les nanotubes de carbone sont d'excellents dopants m√©caniques utilis√©s pour les ailes d'avions, par exemple afin d'am√©liorer leur duret√© tout en conservant une bonne flexibilit√©[r√©f. n√©cessaire].

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

Structure électronique

Le carbone poss√©dant 6 √©lectrons adopte une configuration √©lectronique √† l'√©tat fondamental 1s22s22p2. Il poss√®de 4 √©lectrons sur sa couche de valence, ce qui lui permet de former quatre liaisons covalentes, dont des liaisons de type ŌÉ ou de type ŌÄ. Les liaisons de type ŌÄ sont toujours accompagn√©es d'une liaison de type ŌÉ. Le recouvrement des fonctions √©lectroniques dans une liaison ŌÄ est plus faible. Ces liaisons sont donc moins ¬ę solides ¬Ľ.

Composés courants du carbone

Petites molécule et ions

La forme la plus connue du carbone est le dioxyde de carbone CO2, qui est l'un des composants minoritaires de l'atmosph√®re terrestre (arrivant en quatri√®me position avec environ 0,03 % mais loin derri√®re l'azote 78,11 %, l'oxyg√®ne 20,953 % et l'argon 0,934 %) produit et m√©tabolis√© par les √™tres vivants, l'industrie, les voitures et les centrales thermiques. Sa concentration a augment√© de pr√®s de 40% depuis le d√©but de l'√®re industrielle. Il poss√®de deux modes de vibration qui absorbent la lumi√®re infrarouge, ce qui en fait un gaz √† effet de serre. Le CO2 est un compos√© majoritaire de l'atmosph√®re d'autres plan√®tes comme V√©nus.

Dans l'eau, il forme de tr√®s faibles quantit√©s d'acide carbonique, H2CO3, qui produit des ions carbonate CO32- ou hydrog√©nocarbonate (bicarbonate) HCO3-. Beaucoup de min√©raux sont des carbonates, notamment les diverses formes de calcaire (calcite, craie, marbre‚Ķ). On conna√ģt les propri√©t√©s th√©rapeutiques du bicarbonate de sodium NaHCO3.

Chimie organique

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.

Dangers du carbone et de ses composés

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.

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 ¬ę hydrocarbures ¬Ľ les mol√©cules associant carbone et hydrog√®ne. On classe les hydrocarbures en trois familles :

  • les alcanes, o√Ļ le carbone forme des liaisons sp3 (¬ę simples ¬Ľ) : m√©thane CH4, √©thane C2H6, etc. ;
  • les alc√®nes, o√Ļ au moins un carbone forme des liaisons (¬ę double ¬Ľ) (carbones sp2) : √©th√®ne (√©thyl√®ne) C2H4, prop√®ne C3H6, etc. ;
  • les alcynes, o√Ļ au moins un carbone forme des liaisons (¬ę triple ¬Ľ) (carbones sp) : √©thyne (ac√©tyl√®ne) C2H2, propyne C3H4, etc.

Suivant le nombre d'atomes de carbone, on fait pr√©c√©der le suffixe -ane, -√®ne 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¬į. Cela conduit √† la formation de diast√©r√©om√®res, c'est-√†-dire de compos√©s ayant la m√™me formule chimique mais une disposition diff√©rente des atomes dans l'espace. La liaison triple est lin√©aire.

En outre, le carbone sp3 peut former des compos√©s chiraux (du grec kheir (Šľ£ ŌáőĶőĮŌĀ), la main). Le cas le plus simple est un compos√© poss√©dant 4 substituants diff√©rents autour d'un atome de carbone. Suivant la disposition dans l'espace de ces substituants, on obtient deux mol√©cules qui sont diff√©rentes : elles ne sont pas superposables, il s'agit d'une paire d'√©nantiom√®res. Les √©nantiom√®res 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 stabilis√©s par des liaisons ŌÄ d√©localis√©es.

Notes et références

  1. ‚ÜĎ a, b et c (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 2009, 90e √©d., Reli√©, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0) 
  2. ‚ÜĎ Base de donn√©es Chemical Abstracts interrog√©e via SciFinder Web le 15 d√©cembre 2009 (r√©sultats de la recherche)
  3. ‚ÜĎ a, b et c (en) Beatriz Cordero, Ver√≥nica G√≥mez, Ana E. Platero-Prats, Marc Rev√©s, Jorge Echeverr√≠a, Eduard Cremades, Flavia Barrag√°n et Santiago Alvarez, ¬ę Covalent radii revisited ¬Ľ, dans Dalton Transactions, 2008, p. 2832 - 2838 [lien DOI] 
  4. ‚ÜĎ Paul Arnaud, Brigitte Jamart, Jacques Bodiguel, Nicolas Brosse, Chimie Organique 1er cycle/Licence, PCEM, Pharmacie , Cours, QCM et applications, Dunod, 8 juillet 2004, Broch√©, 710 p. (ISBN 2100070355) 
  5. ‚ÜĎ "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
  6. ‚ÜĎ ¬ę Carbone ¬Ľ dans la base de donn√©es de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme qu√©b√©cois responsable de la s√©curit√© et de la sant√© au travail), consult√© le 25 avril 2009

Voir aussi

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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 Uuq Uup Uuh 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
  ‚Üď  
  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  


M√©tallo√Įdes Non-m√©taux Halog√®nes Gaz rares
M√©taux alcalins  M√©taux alcalino-terreux  M√©taux de transition M√©taux pauvres
Lanthanides Actinides Superactinides √Čl√©ments non class√©s


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  • carb√≤ne ‚ÄĒ carbone m. carbone ‚Ķ   Diccionari Personau e Evolutiu

  • Carbone ‚ÄĒ Car bone, v. t. [See {Carbonado}.] To broil. [Obs.] We had a calf s head carboned . Pepys. [1913 Webster] ‚Ķ   The Collaborative International Dictionary of English


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