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Carbone (symbole chimique C; numéro atomique 6) est un élément chimique remarquable qui joue un rôle vital dans les structures et les processus des mondes vivants et non vivants. Sans cela, notre existence physique et celle d'autres organismes ne seraient pas possibles. Ses différentes formes incluent le graphite, l'une des substances les plus douces, et le diamant, le matériau naturel le plus dur. Le carbone est connu pour faire partie d'une grande variété de composés, y compris certains qui se produisent dans le soleil, les étoiles et les atmosphères planétaires. Nous utilisons des composés de carbone pour le carburant et la synthèse d'une large gamme de matériaux tels que les plastiques, les peintures, les textiles et les produits pharmaceutiques. Les chercheurs étudient actuellement les utilisations de nouvelles formes de carbone, appelées fullerènes, menant au domaine en développement de la nanotechnologie.

L'élimination négligente des peintures, des plastiques et d'autres matériaux contenant du carbone a pollué l'environnement et la mauvaise utilisation des médicaments a causé des souffrances et des douleurs inutiles. De telles pratiques sont symptomatiques d'une compréhension insuffisante des valeurs et des principes du monde naturel. Alors que des efforts sont actuellement déployés pour assainir l'environnement et lutter contre l'abus des drogues, l'humanité doit également restaurer son sens des valeurs pour éviter que ces problèmes ne se reproduisent.

Occurrence

Le carbone est un non-métal abondant connu depuis la préhistoire. Les premiers peuples l'ont produit sous forme de charbon de bois en brûlant des matières organiques (comme le bois) dans une quantité insuffisante d'oxygène.

Le nom carbone vient du mot français charbone, qui à son tour est dérivé du latin carbo, ce qui signifie du charbon de bois. En allemand et en néerlandais, les noms du carbone sont Kohlenstoff et koolstof, respectivement, les deux signifiant littéralement «charbon».

Le carbone pur peut se présenter sous diverses formes appelées allotropes, comme le graphite et le diamant. De plus, le carbone peut se lier à lui-même et à divers autres éléments pour former des composés.

Sur Terre, le carbone et ses composés sont largement dispersés dans l'air, l'eau et la terre. Ils sont également présents dans le Soleil et les étoiles, et on pense que les atomes de carbone ont d'abord été formés par des réactions nucléaires - en particulier, la collision de trois particules alpha (noyaux d'hélium) - à l'intérieur des étoiles. De plus, le carbone se trouve dans les comètes et dans l'atmosphère de la plupart des planètes du système solaire. Certaines météorites contiennent des diamants microscopiques qui peuvent avoir été créés lorsque le système solaire était à ses stades de formation.

Aux États-Unis, le graphite se trouve en grande quantité à New York et au Texas. Il est également abondant en Russie, au Mexique, au Groenland et en Inde.

Les diamants naturels se trouvent dans la kimberlite minérale trouvée dans les anciens volcaniques cous ou tuyaux. La plupart des gisements de diamants se trouvent en Afrique, notamment en Afrique du Sud, en Namibie, au Botswana, en République du Congo et en Sierra Leone. D'autres gisements ont été découverts en Arkansas, au Canada, dans l'Arctique russe, au Brésil et dans le nord et l'ouest de l'Australie.

Des formes allotropes supplémentaires de carbone, classées comme fullerènes, ont été découvertes comme sous-produits d'expériences de faisceaux moléculaires dans les années 1980.

Caractéristiques notables

Le symbole chimique du carbone est C, et son numéro atomique (le nombre de protons dans le noyau de chaque atome) est 6. Chaque atome de carbone est capable de former de fortes liaisons chimiques, appelées des liaisons covalentes, avec jusqu'à quatre autres atomes. Le carbone serait donc tétravalent.

Le carbone a le point de fusion / sublimation le plus élevé de tous les éléments. S'il est chauffé à la pression atmosphérique, le carbone ne fond pas mais se sublime (la forme solide se vaporise) au-dessus de 4000 K. Ainsi, le carbone reste solide à des températures plus élevées que les métaux ayant les points de fusion les plus élevés, notamment le tungstène et le rhénium.

Le carbone dont la surface est exceptionnellement élevée est appelé charbon actif ou charbon activé. Il est produit en traitant du charbon de bois (ou d'autres matériaux riches en carbone) avec certains acides ou gaz à haute température. Il peut adsorber (absorber à sa surface) divers matériaux, et est donc utile pour éliminer les polluants de l'eau et de l'air.

Isotopes

Le carbone possède deux isotopes naturels stables: le carbone 12 (12C) et carbone 13 (13C), à des abondances relatives d'environ 98,9 pour cent et 1,1 pour cent, respectivement. En 1961, l'Union internationale de chimie pure et appliquée a adopté l'isotope carbone 12 comme base des poids atomiques.

Un radio-isotope naturel, le carbone 14 (14C), a une demi-vie d'environ 5 730 ans. Douze autres radio-isotopes ont été produits artificiellement. Parmi ceux-ci, la durée de vie la plus courte est 8C, qui a une demi-vie d'environ 1,987x10-21 secondes.

Allotropes

La cellule unitaire d'un cristal de diamant. Chaque atome de carbone (sphère) est lié à quatre autres.Diagramme de phase de base du carbone, qui montre l'état de la matière pour différentes températures et pressions. Les régions hachurées indiquent les conditions dans lesquelles une phase est métastable, de sorte que deux phases peuvent coexister.

Le carbone peut exister dans différents états structurels appelés allotropes. Deux allotropes bien connus sont le graphite, l'une des substances les plus molles, et le diamant, le minéral naturel le plus dur.

Le graphite a une structure cristalline dans laquelle les atomes de carbone sont disposés en couches de feuilles plates. Chaque feuille est constituée d'un réseau d'anneaux hexagonaux (à six chaînons) dans lesquels chaque atome de carbone est lié à trois autres atomes. Bien que chaque feuille soit exceptionnellement stable, elle interagit de manière lâche avec les feuilles adjacentes afin qu'elles puissent facilement glisser les unes sur les autres.

Le diamant, qui se forme dans la Terre à de très hautes pressions, adopte une structure cristalline différente. Chaque atome de carbone est lié à quatre autres, qui forment ensemble une forme tétraédrique entourant le carbone central. La structure globale est un réseau tridimensionnel d'anneaux à six membres plissés d'atomes de carbone. De cette manière, chaque cristal de diamant, quelle que soit sa taille, peut être considéré comme une seule molécule d'atomes de carbone. À température ambiante, un cristal de diamant subit une transition extrêmement lente vers le graphite.

Le diamant et le graphite ont certaines caractéristiques diamétralement opposées. Le diamant est transparent et dur; il agit comme un excellent isolant électrique et peut être utilisé comme abrasif. En revanche, le graphite est opaque et doux. Il conduit l'électricité et est un bon lubrifiant. Le diamant cristallise dans le système cubique mais le graphite cristallise dans le système hexagonal.

Le carbone qui n'a pas de structure cristalline globale est appelé carbone amorphe. Bien qu'il soit possible de produire du carbone entièrement amorphe (non cristallin), le matériau décrit comme amorphe comprend généralement de petits cristaux de graphite ou de diamant. Le carbone amorphe est le principal constituant du charbon de bois, de la suie (noir de fumée ou noir de carbone) et du charbon actif.

De plus, plusieurs allotropes exotiques ont été synthétisés ou découverts, notamment des fullerènes, des nanotubes de carbone, de la lonsdaleite, de la nanofoam de carbone et des nanotiges de diamant agrégées. Les atomes de carbone dans ces allotropes ont des dispositions structurelles différentes.

Fullerene C540. Réseau de cycles à cinq et six chaînons d'atomes de carbone, formant une forme sphérique globale.

Un fullerène est composé d'une feuille d'atomes de carbone reliés entre eux en anneaux hexagonaux et pentagonaux pour prendre la forme globale d'une sphère creuse ou ellipsoïde. Un fullerène sphérique est également appelé buckyball. La boule de bucky la plus connue est Buckminsterfullerene (contenant 60 atomes de carbone par sphère), du nom de Richard Buckminster Fuller, l'architecte qui a développé le dôme géodésique.

Un nanotube de carbone est également constitué d'une feuille d'atomes de carbone liés en anneaux hexagonaux et pentagonaux, mais la forme générale est celle d'un cylindre creux. Parfois appelé buckytube, il fait partie de la famille des fullerènes des composés carbonés.

On pense que la lonsdaleite se forme lorsque le graphite météorique tombe sur Terre. La chaleur et la contrainte de l'impact transforment le graphite en une structure similaire au diamant, mais le réseau cristallin hexagonal du graphite est conservé. Aussi connu sous le nom diamant hexagonal, la lonsdaleite est transparente et de couleur jaune brunâtre.

La nanofoam de carbone a été produite de manière inattendue par des scientifiques australiens en 1997 *. Il se compose de grappes d'atomes de carbone de faible densité qui sont liées en cycles à six et sept chaînons. Étonnamment, le matériau est attiré par les aimants et peut être magnétisé à des températures inférieures à -183 ° C.

Les nanotiges de diamant agrégées (ADNR) sont plus denses et plus dures que le diamant, et elles semblent être le matériau le moins compressible connu de l'humanité. Ils ont été produits en 2005 * par des physiciens allemands qui ont comprimé des molécules de carbone 60 sous une pression de 20 GPa tout en chauffant le matériau à 2500 K.

Composés de carbone

Chaque atome de carbone peut former des liaisons covalentes avec d'autres atomes de carbone et divers autres éléments, le plus souvent avec l'hydrogène, l'oxygène, l'azote et le chlore. Ce faisant, le carbone forme des composés stables qui se composent de chaînes linéaires et ramifiées et de molécules en forme d'anneau.

Les scientifiques connaissent près de 10 millions de composés du carbone et de nouveaux sont régulièrement synthétisés. Les composés de carbone constituent la grande majorité de tous les composés chimiques connus. La plupart des composés du carbone sont classés comme composés organiques, qui forment la base du domaine de la chimie organique.

Lorsqu'il est combiné avec uniquement de l'hydrogène, le carbone forme une variété d'hydrocarbures, y compris le méthane, le propane, le butane, le benzène et le naphtalène. Les sources naturelles d'hydrocarbures sont le charbon, le pétrole et le gaz naturel.

Lorsqu'il est lié à l'oxygène seul, le carbone forme du dioxyde de carbone (CO2), le monoxyde de carbone (CO) et le sous-oxyde de carbone rare, C3O2. Le dioxyde de carbone dans l'atmosphère terrestre est essentiel pour que les plantes effectuent la photosynthèse et, en tant que gaz à effet de serre, il aide à retenir la chaleur du soleil et à garder notre planète suffisamment chaude pour maintenir la vie. Le monoxyde de carbone est un gaz incolore, inodore et hautement toxique formé par une combustion incomplète.

Lorsqu'il est attaché à la fois à l'oxygène et à l'hydrogène, le carbone forme divers types de composés, y compris ceux classés comme alcools, esters, aldéhydes, cétones et acides carboxyliques.

Des milliers de composés du carbone - y compris les glucides, les graisses, les protéines et les acides nucléiques - sont produits et utilisés par les systèmes vivants. D'autres composés, en particulier les carbonates de métaux tels que le calcium, le magnésium et le fer, sont des composants majeurs des roches, notamment le calcaire, la dolomite et le marbre.

Dans des cas exceptionnels, le carbone prend la forme d'un anion. Avec les métaux réactifs tels que le tungstène, le carbone forme soit des carbures (C-) ou d'acétylures (C22-) pour former des matériaux à très hauts points de fusion. En revanche, certains carbures, comme le carborundum (SiC), sont des réseaux maintenus ensemble par des liaisons covalentes.

Applications

Les diamants de taille exquise sont prêts à être utilisés dans les bijoux.

Le carbone et ses composés jouent un rôle important dans les systèmes naturels et artificiels. Les structures et les fonctions de tous les organismes vivants connus dépendent de façon vitale des composés carbonés. Certaines des utilisations humaines du carbone et de ses composés sont énumérées ci-dessous.

  • Les diamants, étant rares et attrayants, sont utilisés depuis longtemps dans les bijoux. Compte tenu de leur extrême dureté, ils sont également utiles pour les forets et autres applications industrielles.
  • Le graphite est combiné avec des argiles pour former le «plomb» utilisé dans les crayons.
  • Sous la forme poreuse et agglomérée connue sous le nom de charbon de bois, le carbone est utilisé pour la cuisine et l'art.
  • Du carbone est ajouté au fer pour fabriquer de l'acier.
  • Le carbone est utilisé comme modérateur de neutrons dans les réacteurs nucléaires.
  • Le charbon actif est utilisé pour éliminer les polluants des courants d'air et d'eau, à la fois dans la nature et dans les processus industriels. Il est également utilisé en médecine pour absorber les toxines ou les poisons du système digestif.
  • L'isotope carbone 14 est largement utilisé pour la datation radioactive de matériaux contenant du carbone.
  • Les fullerènes et les nanotubes de carbone ont de nombreuses utilisations potentielles dans le domaine naissant de la nanotechnologie. Cependant, les nanoparticules pourraient être toxiques.
  • Le gaz naturel et le pétrole (ou pétrole brut), composés principalement d'hydrocarbures, sont d'importantes sources de carburant.
  • Divers matériaux dérivés du pétrole sont utilisés pour synthétiser de nouvelles substances telles que les plastiques.

Précautions

Le carbone et ses composés sont généralement des matériaux sûrs, mais il existe quelques exceptions. Par exemple, l'inhalation de suie fine en grande quantité peut être dangereuse. De plus, le carbone peut prendre feu à des températures très élevées et brûler vigoureusement. Certains composés du carbone, tels que le monoxyde de carbone et les cyanures (CN-), sont mortellement toxiques.

Cycle du carbone

Diagramme du cycle du carbone. Les chiffres noirs indiquent la quantité de carbone stockée dans divers réservoirs, en milliards de tonnes ("GtC" signifie GigaTons of Carbon). Les chiffres bleus indiquent la quantité de carbone qui se déplace entre les réservoirs chaque année.

Les chemins que le carbone suit dans l'environnement sont appelés collectivement cycle du carbone. Il est généralement considéré comme les processus d'échange de carbone impliquant quatre réservoirs: l'atmosphère terrestre, la biosphère terrestre (y compris les systèmes d'eau douce), les océans et les sédiments (y compris les combustibles fossiles). Les échanges de carbone entre les réservoirs sont le résultat de divers processus chimiques, physiques, géologiques et biologiques.

le budget mondial du carbone est l'équilibre des échanges (revenus et pertes) de carbone entre les réservoirs de carbone ou au sein d'une boucle spécifique du cycle du carbone. Le bilan carbone d'un réservoir peut fournir des informations, par exemple, sur le fonctionnement du réservoir comme source ou puits de dioxyde de carbone.

Échange de carbone par des processus non biologiques

Plusieurs processus non biologiques sont impliqués dans l'échange de carbone entre les réservoirs. Certains de ces processus sont les suivants.

  • Les dépôts de calcaire et de marbre sont composés principalement de carbonate de calcium. Ces roches étant érodées par l'eau (en particulier l'eau acide), le carbonate de calcium se décompose pour former, entre autres, du dioxyde de carbone et de l'acide carbonique.
  • Lorsque le calcaire est chauffé pour produire du ciment et de la chaux (oxyde de calcium), une quantité substantielle de dioxyde de carbone est générée.
  • À la surface des océans, près des pôles, l'eau se refroidit et dissout le dioxyde de carbone de l'air.
  • À la surface des océans, dans les zones où l'eau se réchauffe, le dioxyde de carbone dissous est renvoyé dans l'atmosphère.
  • Les éruptions volcaniques libèrent divers gaz dans l'atmosphère, notamment de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre.
  • La combustion de combustibles fossiles, tels que le charbon, les produits pétroliers et le gaz naturel, libère du dioxyde de carbone et des particules de carbone dans l'air.

Échange de carbone impliquant des processus biologiques

Les organismes vivants jouent un rôle important dans le cycle du carbone, comme indiqué ci-dessous.

  • Certains organismes, appelés autotrophes, produisent des composés organiques en utilisant du dioxyde de carbone de l'air ou de l'eau en présence d'une source d'énergie externe. Le plus souvent, la source d'énergie est le rayonnement solaire et le processus s'appelle la photosynthèse; mais un petit nombre d'autotrophes exploitent des sources d'énergie chimique, et le processus est appelé chimiosynthèse. Les principaux autotrophes impliqués dans le cycle du carbone sont les arbres terrestres et le phytoplancton dans les océans.
  • De nombreux organismes, appelés hétérotrophes, se nourrissent d'autres organismes ou de leurs parties (comme les fruits). Des exemples d'hétérotrophes sont des animaux qui se nourrissent de plantes et d'autres animaux. D'autres hétérotrophes sont des champignons et des bactéries, qui absorbent les matières organiques mortes (détritus) pour les processus de fermentation ou de décomposition.
  • La plupart du carbone quitte la biosphère terrestre par la respiration. En présence d'oxygène, la respiration aérobie libère du dioxyde de carbone; en l'absence d'oxygène, la respiration anaérobie libère du méthane. Ces gaz finissent par se frayer un chemin dans l'air ou l'eau.
  • Le carbone peut également quitter la biosphère terrestre lorsque la matière organique morte (comme la tourbe) est incorporée dans la géosphère. En particulier, les coquilles animales (en carbonate de calcium) peuvent éventuellement devenir calcaires par le processus de sédimentation.

Voir également

Les références

  • Chang, Raymond. 2006. Chimie. 9e éd. New York, NY: McGraw-Hill Science / Engineering / Math. ISBN 0073221031.
  • Cotton, F. Albert et Geoffrey Wilkinson. 1980. Chimie inorganique avancée. 4e éd. New York, NY: Wiley. ISBN 0-471-02775-8.
  • Greenwood, N.N., et A. Earnshaw. 1998. Chimie des éléments. 2e éd. Oxford, Royaume-Uni; Burlington, MA: Butterworth-Heinemann, Elsevier Science. ISBN 0750633654. Version en ligne disponible ici. Récupéré le 11 août 2007.
  • Janzen, H. H. 2004. Cycle du carbone dans les systèmes terrestres - une perspective de science des sols. Agriculture, écosystèmes et environnement 104:399-417.
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