Wikijunior:Les éléments/Carbone

Montre la position du Carbone dans le tableau périodique.

Symbole du carbone dans le tableau périodique

Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 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 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 et dans l'Arkansas. On peut parfois trouver des diamants microscopiques dans certaines météorites.

Le nom carbone vient du latin carbo, carbōnis signifiant « charbon ». Il n'apparait dans le dictionnaire de l'Académie française, qu'à sa 6^e édition (1832-5)

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).

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 et peut former deux à quatre liaisons s'il a quatre voisins ou une à deux liaisons : il s'agit donc d'un élément tétravalent. Il a une grande affinité pour d'autres atomes légers, dont lui-même, et sa petite taille lui permet de former de multiples liaisons ou « simple liaison » tétraédrique) : cela explique la multitude de composés à base de carbone dont l'étude constitue la chimie organique.

Formes courantes

La forme la plus connue du carbone est le dioxyde de carbone CO2, qui est l'un des composants minoritaires (arrivant en quatrième position avec environ 0,03 % mais loin derrière l'azote 78,11 %, l'oxygène 20,953 % et l'argon 0,934 %) de l'atmosphère terrestre produit et métabolisé par les êtres vivants, l'industrie, les voitures, les centrales thermiques. Sa concentration à été multipliée par trois en un siècle, il est responsable lui aussi de l'effet de serre. Le CO2 est un composé majoritaire de l'atmosphère d'autres planètes comme Vénus.

Dans l'eau, 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.

Il possède deux autres formes connus qui sont le graphite et le diamant. On le retrouve aussi dans les nanotubes de carbone qui sont d'excellents dopants mécaniques utilisés pour les ailes d'avions par exemple afin d'améliorer leur dureté tout en conservant une bonne flexibilité.

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

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 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.

L'ion cyanure CN^- et 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 C2^2-. 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 hydrocarbures les molécules associant carbone et hydrogène. On classe les hydrocarbures en trois familles :

• les alcanes, où le carbone forme des liaisons simples : méthane CH4, éthane C2H6, etc. ;
• les alcènes, où au moins un carbone forme des liaisons doubles : éthylène C2H4, propène C3H6, etc. ;
• les alcynes, où au moins un carbone forme des liaisons triples : 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-

Dans les hydrocarbures aromatiques, les atomes de carbone forment des cycles ou noyaux. 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, qui sont à la base de l'industrie du médicament.

Allotropes

Diagramme 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. le graphite conduit l'électricité. Le graphite est mou car les couches d'atomes glissent 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. 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 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 et du diamant, 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...

Le carbone se sublime à 4 100 Kelvin. 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 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 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 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 en Microscopie 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 ¹⁴C a une période radioactive de 5 730 ans et est couramment utilisé pour la datation au carbone 14 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.