Carbone

Le carbone est l'élément chimique de , de . C'est l'élément le plus léger du groupe 14 du tableau périodique.

Le carbone est le élément le plus abondant dans l'univers et le le plus abondant dans la croûte terrestre. Il est présent sur Terre à l'état de corps simple (charbon et diamants), de composés inorganiques () et de composés organiques (biomasse, pétrole et gaz naturel). De nombreuses structures basées sur le carbone ont également été synthétisées : charbon actif, noir de carbone, fibres, nanotubes, fullerènes et graphène.

Le corps simple carbone présente plusieurs formes allotropiques dont principalement le graphite et le diamant. L'élément carbone forme divers composés inorganiques comme le dioxyde de carbone , et une grande variété de composés organiques et de polymères. C'est l'élément de base de toutes les formes de vie connues.

La combustion du carbone sous toutes ses formes a été le fondement du développement technologique dès la préhistoire. Les matériaux à base de carbone ont des applications dans de nombreux autres domaines : matériaux composites, batteries lithium-ion, dépollution de l'air et de l'eau, électrodes pour les fours à arc ou la synthèse de l'aluminium Diverses recherches scientifiques ont mis en évidence la possibilité d'utiliser le carbone comme catalyseur ou support de catalyseur et comme électrocatalyseurAnodic generation of hydrogen peroxide in continuous flow, DOI: 10.1039/D2GC02575B (Paper) Green Chem., 2022, 24, 7931-7940.

Le carbone possède trois isotopes naturels, les carbones 12 (C), 13 (C) et 14 (C). Les deux premiers sont stables. Le troisième est radioactif de demi-vie ; il est utilisé pour dater des objets ayant incorporé du carbone naturel (datation au carbone 14). On connaît douze autres isotopes du carbone, tous radioactifs de courte demi-vie.

Histoire et étymologie Le nom carbone vient du latin , .. La fabrication de carbone sous forme de charbon de bois par pyrolyse du bois sous une couche de terre était aussi connue des Romains.. Le carbone sous sa forme diamant est connu depuis l'antiquité en Asie, il est aussi mentionné dans l'ancien testamentAncien Testament, Ex., 28:18; 39:11; Eze., 28:13.: en latin classique adamas, adamantis (emprunté au grec , au génitif ..), qui est à l'origine du mot ..

La notion d'élément carbone apparaît lorsque René-Antoine Ferchault de Réaumur étudie la formation d'acier à partir de fer, il constate que cette transformation correspond à l'absorption d'un élément par le fer R.-A. Ferchault de Réaumur, « L'art de convertir le fer forgé en acier, et l'art d'adoucir le fer fondu, ou de faire des ouvrages de fer fondu aussi finis que le fer forgé », 1722.. En 1772, Antoine Lavoisier étudie ensuite la combustion de charbon et de diamants, il constate la formation notable de dioxyde de carbone, mais ne détecte pas la formation d'eau. Il prouve ainsi que ces deux matériaux sont formés uniquement de carbone.

Le graphite naturel était connu depuis l'Antiquité, mais sa nature n'était pas comprise, car on le confondait avec la molybdénite et on croyait que c'était une forme de plomb. En 1779, Carl Wilhelm Scheele démontre, lui aussi par oxydation du graphite, qu'il est composé principalement de carbone. En 1787, la Nomenclature chimique de Louis-Bernard Guyton-Morveau lui consacre un article en définissant le carbone comme la forme pure du charbonMéthode de nomenclature chimique proposée par MM. de Morveau, Lavoisier, Bertholet et de Fourcroy, 1787, ..

Le nom « carbone » n'apparaît dans le dictionnaire de l'Académie française qu'à sa (1832-5).

L'histoire est ensuite marquée par l'importance accrue du carbone, on peut citer par exemple : 1828 : découverte des composés organiques et de la chimie organique (voir article Friedrich Wöhler) ; 1842 : avec la résistance des matériaux, August Wöhler pose les fondements de la future « science des matériaux » ; 1985 : découverte des fullerènes par Robert Curl, Harold Kroto et Richard Smalley ; 2004 : découverte du graphène par Andre Geim, composé d'une seule couche de Graphite.

Élément Formation

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).

Le carbone est présent sur Terre depuis la formation de celle-ci. Il existe sous forme de sédiments, charbon, pétrole, et également sous sa forme pure graphite, diamant. Les diamants naturels peuvent 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.

Isotopes et masse atomique

Le carbone possède deux isotopes stables : C (abondance : 98,93 %) ; C (abondance : 1,07 %). Comme c'est l'isotope C qui a défini l'unité de masse atomique unifiée, la masse atomique du carbone est légèrement supérieure à 12 en raison de la présence de C : .

Le carbone possède de nombreux radioisotopes, dont seulement deux ont une demi-vie supérieure à la minute : C, d'une demi-vie de . Il est couramment utilisé pour la datation d'objets archéologiques (jusqu'à ) ; C, d'une demi-vie de . Cette courte période et la relative facilité de substituer un atome de C à un atome de carbone C en font un isotope utilisé en médecine nucléaire, notamment en tomographie par émission de positons (les radiotraceurs les plus utilisés sont le C-raclopride qui se fixe préférentiellement sur les récepteurs dopaminergiques D2, et le utilisé en imagerie cardiaque).

Structure électronique Le carbone possédant six électrons adopte une configuration électronique à l'état fondamental 1s 2s 2p. Il possède quatre électrons sur sa couche de valence, ce qui lui permet de former quatre liaisons covalentes, dont des liaisons de type (première liaison avec un atome) ou de type (seconde ou troisième liaison). Les liaisons de type sont toujours accompagnées d'une liaison de type . Le recouvrement des fonctions électroniques dans une liaison est plus faible. Ces liaisons sont donc moins « solides ».

Allotropes État solide

Le carbone est présent dans la nature dans deux formes allotropiques principales : le graphite, empilement de structures cristallines hexagonales et monoplanes (graphène), et de couleur grise. C'est la forme stable à température et pression 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 est lié à trois autres dans une couche d'anneaux hexagonaux fusionnés, comme ceux des composés aromatiques hydrocarbonés. Grâce à la délocalisation des orbitales , le graphite conduit l'électricité. 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 est lié à quatre autres (distance interatomique de ). 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 est indécelable. 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.

En plus du graphite (pur sp) et du diamant (pur sp), 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 En 2019, la molécule cyclique (pur sp) a été synthétisée par élimination des groupes CO dans l'oxyde ..

Les oignons de carbone sont des structures basées sur une structure de type fullerène, mais dont la paroi est constituée de plusieurs couches de carbone.

Les formes cylindriques du carbone sont appelées nanotubes (nanotube de carbone, abréviation : NTC). Elles 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 plans de carbone d'épaisseur monoatomique (ou graphène) enroulés sur eux-mêmes et formant un tube de diamètre nanométrique). Les nanotubes dont la paroi n'est constituée que d'un seul plan de carbone sont dits « monofeuillets ». Les nanotubes fabriqués par la méthode de l'arc électrique sont presque tous « multifeuillets ».

Le graphène est constitué d'un plan unique de carbone d'épaisseur monoatomique. Le graphène peut être simplement obtenu en prélevant un plan unique de carbone d'un cristal de graphite.

Conjointement à ces structures, on observe un grand nombre de nanoparticules polyédriques. À l'image des oignons et des nanotubes multifeuillets, les observations en microscopie électronique en transmission haute résolution ( HRTEM : ) révèlent que ces nanoparticules de carbone sont constituées de plusieurs couches de graphène, fermées, laissant une cavité nanométrique en leur centre.

Gaz

vignette|Diagramme de phase du carbone.. PT = point triple. À pression atmosphérique, le carbone (graphite) se sublime à . 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. Parmi ces dernières, on trouve en particulier, la forme sphérique monofeuillet C appelée fullerène, ou plus précisément buckminsterfullerène, et ses variétés C , qui forment des structures extrêmement rigides.

Liquide Le carbone liquide ne se forme qu'au-dessus de la pression et de la température du point triple, et donc au-delà de (environ 100 fois la pression atmosphérique) et Le carbone n'étant liquide que dans des conditions difficiles à atteindre, et longtemps sans grand intérêt pratique, l'expression fusion du carbone désigne généralement sa fusion nucléaire et non sa fusion au sens ordinaire du terme.. Le carbone liquide est important pour la modélisation de l'intérieur des planètes.. et de l'atmosphère des naines blanches., comme stade intermédiaire pour la synthèse de matériaux en carbone avancés.., les implosions de fusion nucléaire par confinement inertiel., pour les impacts à hypervitesse sur les matériaux de carbone. et pour la compréhension générale des fluides structurés dans des conditions extrêmes..

Le carbone liquide est notoirement difficile à produire et à étudier, et tout aussi difficile à modéliser. En 2025, une équipe de réussit à produire du carbone liquide à l'aide d'un laser à impulsions, électrons libres et rayons X ultra-brillant, et à déterminer sa structure à des pressions supérieures à un million d'atmosphères et des températures d'environ : c'est un fluide complexe présentant une structure semblable à celle de l'eau et une moyenne de quatre atomes voisins autour de chaque atome de carbone central, comme dans le diamant....

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