Carbone

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'apparaît dans le dictionnaire de L'Académie française, qu'à sa 6 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 ((K)2 (L)4)(2s, 2p) et peut former une liaison $\sigma$ et trois liaisons $\pi$ : il s'agit donc d'un élément tétravalentss (sauf dans le cas de certaines réactions intermédiaires ou dans la famille des carbènes, à carbone divalent, les deux électrons 2s ne participant pas à la liaison). Il a une grande affinité pour d'autres atome légers, dont lui-même, et sa petite taille lui permet de former de multiples liaisons par hybridation de ses orbitales (sp ou « triple liaison » linéaire, sp ou « double liaison » planaire avec des angles de 120° , sp 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 courante du carbone est le dioxyde de carbone CO, qui est l'un des composants minoritaires de l'atmosphère terrestre produit et métabolisé par les êtres vivants. Le CO est un composé majoritaire de l'atmosphère d'autres planètes comme Vénus.

Dans l'eau, il forme de très faibles quantités d'acide carbonique, HCO, qui produit des ions carbonate CO ou hydrogénocarbonate (bicarbonate) HCO. Beaucoup de minéraux sont des carbonates, notamment les diverses formes de calcaire (calcite, craie, marbre…). On connaît les propriétés thérapeutiques du bicarbonate de sodium NaHCO.

Dangers du carbone et de ses composés

Les nanotubes de carbone présentent des risques pour la santé

Le (di)sulfure de carbone CS, 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 CO, moins commun. Le monoxyde de carbone est un gaz incolore et inodore, formé par combustion incomplète des composés organiques ou du carbone pur (charbon). Il possède une structure semirésonante, la longueur de sa liaison (111 pm) indiquant une nature hybride, ce qui conduit à le représenter par la formule :

$\left[\ \mathrm{C}^-\equiv \mathrm{O}^+ \quad\leftrightarrow\quad \mathrm{C=O} \quad\leftrightarrow\quad \mathrm{C}^+-\mathrm{O}^-\ \right]$

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 (voir l'entrée en question).

L'ion cyanure CN et un comportement chimique similaire à un ion halogénures. Les sels contenant l'ion cyanure sont hautement toxiques. Le cyanogène, un gaz de composition (CN) est également proche des halogène.

Avec les métaux, le carbone forme des carbures C ou des acétylures C. 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 les molécules associant carbone et hydrogène. On classe les hydrocarbures en trois familles :

les alcanes, où le carbone forme des liaisons sp (« simples »): méthane CH, éthane CH, etc. ;
les alcènes, où au moins un carbone forme des liaisons sp (« double ») : éthylène CH, propène CH, etc. ;
les alcynes, où au moins un carbone forme des liaisons sp (« triple ») : acétylène CH, propyne CH, etc.

Suivant le nombre d'atomes de carbone, on fait précéder le suffixe -ane, -ène ou -yne par :

méth-
éth-
prop-
but-
pent-
hex-
hept-
oct-
non-
déc-

Seul le carbone sp donne lieu à des liaisons mobiles. Les autres liaisons, sp ou sp sont rigides : la liaison double sp est planaire, chacune des deux autres liaisons formant un angle de 120°, la liaison triple est linéaire. Cela conduit à la formation d'énantiomères, c'est-à-dire de corps ayant la même formule chimique mais des conformations spatiales différentes.

En outre, le carbone sp peut former des composés asymétriques, il apparaît alors un phénomène de chiralité (du grec ̔η χείρ, la main, les molécules sont symétriques l'une de l'autre selon un plan de symétrie, comme nos deux mains)

Dans les hydrocarbures aromatiques, les atomes de carbone forment des cycles ou noyaux stabilisés par des liaisons π délocalisées. 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.

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 graphites, dans laquelle chaque atome est lié à trois autres dans une couche d'anneaux hexagonaux fusionnés, comme ceux des composés aromatique hydrocarbonés. Grâce à la délocalisation des orbitales $\pi$ , 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 136 pm). 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 (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...

Le carbone se sublime à K. 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 sphères ou un tube, appelées fullerène, comme le buckminsterfullerène, C. 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 cathodes de l'arc électrique durant la synthèse de fullerène. 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, C (98,89 %) et C (1,11 %).

Le radioisotope C a une période de 5 730 ans et est couramment utilisé pour la datation 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 C a une période de 20 minutes. Cette courte période et la relative facilité de substituer un atome de C à un atome de carbone C (stable) en font un isotope utilisé en médecine nucléaire, notamment en Tomographie à émission de positon. Les radiotraceurs les plus utilisés à ce jour sont le C-Raclopride qui se fixe préférentiellement sur les récepteurs dopaminergiques D2, et le C-Acétate utilisé en imagerie cardiaque.