Indispensable à la vie et en chimie organique, le carbone est un élément chimique non métallique de numéro atomique 6. On le retrouve dans un très grand nombre de composés naturels comme les roches calcaires, le gaz carbonique de l’atmosphère et les combustibles. Le carbone représente un constituant fondamental de la matière vivante. En effet, grâce à la photosynthèse, les plantes convertissent le gaz carbonique présent dans l’air en de l’hydrate de carbone. Cette dernière est ensuite transformée en gaz carbonique par les êtres vivants. On parle ici d’une chaîne fermée qui constitue le cycle du carbone.
Le carbone, de symbole C, est un élément chimique qui se caractérise par le numéro atomique 6. Ses isotopes naturels sont au nombre de trois, dont :
Dans le tableau périodique des éléments, le carbone est le plus léger du groupe 14. Son corps simple peut avoir plusieurs formes allotropiques, dont le diamant, et plus principalement, le graphite. En revanche, l’élément carbone est capable de former différents composés inorganiques tels que le CO2 ou dioxyde de carbone. Il peut aussi créer une multitude de polymères et de composés organiques. En d’autres termes, le carbone constitue l’élément de base de pratiquement toutes les formes de vie que l’on connaît jusqu’ici.
Le carbone est le 15ème élément le plus abondant dans la croûte terrestre et le 4ème dans l’univers. Sur Terre, sa présence se caractérise par un état de corps simple (diamant, charbon…), de composés organiques (gaz naturel, pétrole et biomasse) et inorganiques (CO2). Au fil du temps, on a progressivement découvert la synthèse de plusieurs structures qui se basent sur le carbone. On peut, par exemple, parler de la fibre de carbone, du charbon actif, du noir de carbone, du nanotube, du graphène et des fullerènes.
La combustion du carbone, peu importe sa forme, est la base même du développement de la technologie. Les matériaux qui en sont majoritairement composés s’utilisent d’ailleurs dans plusieurs domaines. On les emploie pour la fabrication de batteries lithium-ion, de matières composites ou d’électrodes pour les fours à arc. On l’utilise également dans la dépollution de l’eau et de l’air ou encore dans la synthèse de l’aluminium.
“Carbone” est un nom issu du latin carbo ou carbönis signifiant « charbon » en français. Sa fabrication sous forme de charbon de bois ne date pas de notre époque. En effet, on en faisait également du temps des Romains. Sous sa forme de diamant, il est connu depuis l’antiquité en Asie. On en parle aussi dans l’Ancien Testament de la Bible. Le nom de cette pierre précieuse provient du mot romain adámas et adámantis qui veulent dire « acier dur ».
L’apparition de la notion d’élément carbone n’apparaît que lorsque René-Antoine Ferchault de Réaumur a étudié la formation de l’acier à partir du fer. Il a donc pu constater que la transformation est possible, car le fer absorbe un élément. La combustion de charbon et de diamants a ensuite été étudiée en 1772 par Antoine Lavoisier. Cela lui a permis d’affirmer qu’il est possible de détecter la formation de dioxyde de carbone, mais pas celle de l’eau. Ces études ont ainsi prouvé que ces matières sont toutes les deux formées de carbone intégralement ou majoritairement.
Le graphite naturel est également un matériau connu depuis l’antiquité, même si on la confondait avec la molybdénite à l’époque. On croyait de ce fait qu’il s’agissait d’une forme de plomb. Ce n’est qu’en 1779 que Carl Wilhelm Scheele a pu démontrer que le graphite est principalement composé de carbone. En 1787, un article de la Nomenclature chimique de Louis-Bernard Guyton-Morveau a permis d’affirmer que le carbone était la forme pure du charbon.
Le mot « carbone » n’est apparu qu’à la 6ème édition du dictionnaire de l’Académie française. Son essor pour la production d’énergie correspond au XIXe siècle. En 1865, la quantité de carbone contenue dans les principaux bois d’énergie à Paris a été publiée par Antoine César Becquerel. On a ainsi remarqué que :
L’importance accrue du carbone marque ensuite l’histoire. En 1828, on a découvert la chimie organique et les composés organiques. En 1842, August Wöhler posait les fondements de la future « science des matériaux » avec la résistance des matériaux. L’année 1985 a été marquée par la découverte des fullerènes par Robert Curl, Harold Kroto et Richard Smalley. Plus récemment, en 2004, Andre Geim découvrait le graphène. Il s’agit d’une matière composée d’une unique couche de graphite.
Après avoir vu le carbone et son parcours dans le temps, il est maintenant temps de découvrir ce qui en fait un élément.
Il est important de noter que l’élément carbone n’a pas directement vu le jour grâce à la nucléosynthèse primordiale, plus communément appelée « Big Bang ». En effet, les conditions qui devaient assurer sa formation n’étaient pas au rendez-vous. En d’autres termes, le refroidissement ainsi que la dilatation de l’univers ont été trop rapides. En revanche, il est produit en quantités importantes dans les étoiles très massives de la branche horizontale dans laquelle trois noyaux d’hélium fusionnent. On parle ici de réaction triple alpha.
En ce qui concerne la Terre, le carbone y est présent depuis la formation de la planète. On le retrouve sous la forme de sédiments tels que le charbon et le pétrole ou sous forme pure comme le diamant et le graphite. Il est important de noter que les diamants naturels peuvent se trouver au niveau des cheminées d’anciens volcans, dans la kimberlite de ceux-ci. Cela se remarque dans l’Arkansas et en Afrique du Sud notamment. Certaines météorites peuvent également contenir des diamants microscopiques.
Dans la nature, le carbone est caractérisé par la présence de deux isotopes stables :
Notons que la masse atomique du carbone (de 12,010 7) est supérieure à la valeur de 12. Cela est dû à la présence de l’isotope 13C.
En outre, le carbone dispose également de deux radio-isotopes. L’un d’eux est le carbone 14 ou 14C qui correspond à une période radioactive de 5 730 ans. On l’utilise de manière courante dans l’archéologie pour la datation d’objets pouvant atteindre l’âge de 50 000 ans. Dans le futur, le carbone 14 sera inutile pour les archéologues qui feront leurs recherches sur notre civilisation actuelle. En effet, les explosions thermonucléaires depuis les années 1960 dans l’atmosphère ont résulté des excès radioactifs très importants.
Le second radio-isotope est le carbone 11 ou 11C qui possède une période de 20 minutes. On l’utilise en médecine nucléaire en tomographie à émission de position notamment. Cela est dû à sa courte période et à la simplicité de substitution d’un atome de 11C à un atome de 12C plus stable. Il faut noter que les radiotraceurs les plus employés de nos jours sont :
Il s’agit d’éléments indispensables dans la médecine de notre époque.
Le carbone adopte une configuration électronique à son état fondamental 1s² 2s² 2p². Il dispose de six électrons, dont quatre au niveau de sa couche de valence. Cette caractéristique lui donne la possibilité de former des liaisons covalentes de type σ ou de type π. Notons que les liaisons de type π s’accompagnent toujours d’une liaison de type σ.
Le corps simple du carbone est caractérisé par un état solide et un état liquide et gazeux.
Il est tout d’abord important de préciser qu’il existe 8 formes de carbone, à savoir :
Les deux formes les plus répandues du carbone sont le graphite et le diamant. Elles se diffèrent grâce à leurs propriétés, mais aussi à leur aspect. Dans les détails, le graphite correspond à un empilement de structures cristallines monoplanes et hexagonales. Sa couleur est grise. Il s’agit de la forme de carbone stable à une température et pression ambiante. Le diamant, quant à lui, est une structure cristalline tétraédrique transparente. Il s’agit de la forme métastable à température et pression ambiante et stable à haute pression et haute température. Ainsi, dans des conditions de pression dites « normales », le graphite est la forme la plus classique du carbone. Il compte donc des atomes qui sont chacun liés à trois autres pour former une couche d’anneaux hexagonaux fusionnés. Cela s’apparente à des composés aromatiques hydrocarbonés.
Le diamant est une forme de carbone cristalline très recherchée dans le monde. Grâce à la résistance des liaisons carbone-carbone, et au même titre que le nitrure de bore, le diamant est une matière quasiment impossible à rayer. Sa métamorphose en graphite est possible dans un environnement à température ambiante, mais est pratiquement indécelable du fait de la lenteur du processus. En outre, dans des conditions spécifiques, le carbone peut cristalliser et se transformer en lonsdaléite. Il s’agit d’une forme qui se rapproche de celle du diamant, mais de structure hexagonale. Parmi toutes les pierres précieuses qui existent, seul le diamant se consume complètement.
Outre le graphite pur sp2 et le diamant pur sp3, le carbone peut se présenter sous une forme amorphe et très désordonnée. On parle ici de l’a-C qui se caractérise par un composé de sites à trois liaisons (graphite) ou à quatre liaisons (diamant). Pour la fabrication de cette matière, il existe de nombreuses méthodes. On peut, par exemple, citer l’évaporation par faisceau d’électrons, la pulvérisation, le dépôt à l’arc électrique ou encore l’ablation laser, entre autres. Par ailleurs, c’est en 2019 que la molécule cyclique C18 pure sp1 a été synthétisée. Cela a été réalisé par élimination des groupes CO dans l’oxyde C24O6.
Il est aussi important de savoir que les oignons de carbone sont des structures de type fullerène. Cependant, leur paroi se compose de plusieurs couches de carbone. Pour ce qui est de ces formes cylindriques, celles-ci sont appelées « nanotubes » ou nanotube de carbone, dont l’abréviation est : NTC. Elles ont été découvertes pendant la synthèse de fullerènes au niveau du culot qui se forme sur la cathode de l’arc électrique.
Il s’agit d’objets de taille nanométrique ayant une longueur au millimètre. Ils ressemblent à des plans de carbone d’épaisseur monoatomique qui s’enroulent sur eux-mêmes, formant un tube de diamètre nanométrique. Notons que les nanotubes qui disposent d’une paroi constituée d’un unique plan de carbone sont appelés « monofeuillets ». Celles qui sont définies en tant que « multifeuillets » sont réalisées selon la méthode de l’arc électrique.
Le graphène, quant à lui, est composé par un unique plan de carbone qui dispose d’une épaisseur monoatomique. On peut l’obtenir très simplement en prélevant un plan de carbone sur un cristal de graphite.
La sublimation du carbone lorsqu’il est sous forme de graphite s’effectue à 4 100 K (kelvin). Sous une forme gazeuse, il est constitué de petites chaînes d’atomes qui se nomment carbynes. Quand ces dernières sont refroidies de manière très lente, elles fusionnent afin de créer les feuillets graphitiques irréguliers et déformés qui forment la suie. Parmi elles, on peut retrouver la forme sphérique monofeuillet C60 qui se nomme fullerène. Plus précisément, on parle de buckminsterfullerène et de ses variétés Cn (20 ≤ n ≤ 100). Celles-ci forment des structures très rigides.
En outre, la formation du carbone liquide n’est possible que lorsque la température et la pression est au-dessus du point triple. On parle donc de valeurs supérieures à 10,8 ± 0,2 MPa, soit 100 fois plus que la pression atmosphérique et 4 600 ± 300 Kb.
Nous avons vu que le carbone est un élément essentiel des composés organiques qui disposent au moins une liaison carbone-hydrogène. On sait de même qu’il existe aussi sous une forme inorganique, en tant que dioxyde de carbone principalement. On le retrouve également sous une forme minérale.
Il faut savoir que la chimie du carbone est de nature covalente. Il se présente comme la base d’un certain nombre de composés qui disposent d’un nombre d’atomes importants. Cela n’est néanmoins possible que lorsqu’il est associé par liaisons simples, doubles ou triples avec :
La chimie organique est donc constituée par la synthèse et l’étude de ces composés. Les principaux sont les hydrocarbures. Il s’agit de molécules qui combinent à la fois l’hydrogène et le carbone. Il en existe trois familles, à savoir :
On comprend donc que les liaisons nombreuses peuvent se former.
En fonction du nombre d’atomes de carbone, les suffixes –ane, -ène ou –yne doivent être précédées de :
On sait aussi qu’autour des liaisons simples carbone-carbone, la rotation est libre. Cependant, la rigidité est de mise au niveau des liaisons doubles ou triples. Ainsi, la liaison double se présente comme planaire et les angles de liaison autour des atomes de carbone sont égaux à 120°. La formation de diastéréomères est donc possible. Cela signifie que les composés disposent d’une même formule chimique, mais que la disposition des atomes dans l’espace diffère. Pour la liaison triple, on parle de linéarité.
Par ailleurs, le carbone sp3 est capable de créer des composés dits « chiraux ». On peut, par exemple, parler du cas le plus simple du composé formé de quatre substituants divers autour d’un atome de carbone. En fonction de la disposition de ceux-ci dans l’espace, les deux molécules qu’on obtient sont différentes. En effet, elles ne peuvent pas être superposables. On parle d’une paire d’énantiomères. Il s’agit d’une image de l’un et de l’autre dans un miroir, un peu comme nos deux mains.
En ce qui concerne les hydrocarbures aromatiques, des cycles ou des noyaux stabilisés par des liaisons π délocalisées sont formés par les atomes de carbone.
Il s’agit d’un genre d’atome de carbone plutôt rare comparé aux versions dites « organique » et « minéral ». On le rencontre le plus souvent sous la forme de complexes organométalliques ou inorganiques. Dans leurs sphères de coordination, ceux-ci comptent une molécule de CO ou de CO2 ou un atome de carbone nu. On peut alors voir :
Il faut noter que ces complexes sont donnés à titre d’exemple.
Dans l’atmosphère terrestre, la molécule de CO2 ou dioxyde de carbone se présente à l’état gazeux. Une quantité spécifique de cet élément est dissoute dans les eaux continentales et océaniques. Une autre partie dissoute entre en réaction avec la molécule d’eau afin de créer de l’acide carbonique H2CO2. La réaction est donc : H2O + CO2 (dissous) = H2CO3.
On compte également l’H2CO3 ou dihydrogénocarbonate qui est un diacide. Celui-ci libère des protons dans le cadre des constantes d’acidité des couples acido-basiques (H2CO3/HCO3−) et (HCO3−/CO32−). Il y a également la composition en solutés acido-basiques de l’eau par rapport aux équations : H2CO3 + H2O ⇔ HCO3− (ion hydrogénocarbonate, ou bicarbonate) + H3O+ (ion hydronium, ou proton hydraté) et HCO3− + H2O ⇔ CO32− (ion carbonate) + H3O+.
Cependant, dans l’eau de mer, cet assemblage de carbonates est présent dans de grandes proportions. C’est donc la raison pour laquelle l’eau océanique est aussi riche en acidité avec un pH 8, 1-8,4 et stable. On parle ici d’un taux de carbonates et de borates qui s’appelle l’alcalinité.
Dans sa forme pure, le carbone n’a qu’une faible toxicité pour les humains. On peut le manipuler et l’ingérer sans danger lorsqu’elle est sous forme de charbon de bois ou de graphite. Il dispose d’une résistance prouvée contre l’attaque chimique ou la dissolution. D’ailleurs, le charbon issu de noix de coco est employé dans la médecine. Le disulfure de carbone CS2, quant à lui, est hautement toxique. On l’utilise comme solvant dans la vulcanisation du caoutchouc. En ce qui concerne le monoxyde de carbone, celui-ci est un gaz incolore et inodore. Il se forme suite à la combustion incomplète de composés organiques ou de carbone pur. En cas d’ingestion, il se lie à l’hémoglobine sanguine et forme de la carboxyhémoglobine. Cela entraîne l’empoisonnement des molécules d’hémoglobine. Une réaction pouvant être mortelle.
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