Carbone

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

Structure électronique

Le carbone comporte 4 électrons sur sa couche externe (2s², 2p²) et peut former une liaison <math>\sigma</math> et trois liaisons <math>\pi</math> : il s'agit donc d'un élément tétravalent (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 atomes 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 ; sp² ou « double liaison », planaire avec des angles de 120° ; sp³ ou « simple liaison », tétraédrique) ; cela explique la prolifération de composés à base de carbone dont l'étude constitue la chimie organique.

Formes courantes

La forme la plus courante d'oxyde de carbone est le dioxyde de carbone CO₂, qui est l'un des composants minoritaires de l'atmosphère terrestre produit et métabolisé par les êtres vivants. 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 soude NaHCO₃.

Dangers de ses composants

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). 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 :

<math>C^-\equiv O^+ \quad\leftrightarrow\quad C=O \quad\leftrightarrow\quad C^+-O^-</math>

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 paut être mortel. (voir l'entrée en question).

L'ion cyanure CN^- a une structure et un comportement similaires à un ion halogénure ; le cyanogène (CN)₂ en est également proche.

Avec les métaux durs, le carbone forme des carbures C^- ou des acétylures C₂^2-. 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 des diamants.

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 sp³ (« simples »): méthane CH₄, éthane C₂H₆, etc.
Les alcènes, où au moins un carbone forme des liaisons sp² (« double ») : éthylène C₂H₄, propène C₃H₆, etc.
Les alcynes, où au moins un carbone forme des liaisons sp (« triple ») : acétylène C₂H₂, propyne C₃H₄, 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 sp³ donne lieu à des liaisons mobiles. Les autres liaisons, sp ou sp² sont rigides : la liaison double sp² 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 sp³ 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.

Image:Carbon basic phase diagram.png

Allotropes

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 <math>\pi</math>, 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 lonsdaléite, 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 sp²) et du diamant (pur sp³), 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 utiliser pour fabriquer du a-C : pulvérisation, évaporation par faisceau d'électrons, dépôt à l'arc électrique, ablation laser…

Le carbone se sublime à 4100 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 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 decouvertes 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 de 5730 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. Les explosions thermonucléaires réalisées dans l'atmosphère à partir des années 1960 ont créé des excès considérables.