CARBONE

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Le carbone est l'élément chimique non métallique de symbole C et de numéro atomique 6. Il est présent dans de nombreux composés naturels : gaz carbonique de l'atmosphère, roches calcaires, combustibles (gaz, pétrole, charbons minéraux). C'est de plus un constituant fondamental de la matière vivante. Par la photosynthèse, les plantes convertissent le gaz carbonique de l'air en hydrates de carbone, lesquels sont dégradés en gaz carbonique par les êtres vivants. Cette chaîne fermée constitue le cycle du carbone.

Cycle du carbone

Vidéo : Cycle du carbone

Présent dans toutes les formes vivantes et dans de nombreux composés inorganiques, le carbone possède un cycle complexe : présentation des grandes lignes de ce système dynamique.Le carbone, élément principal des molécules, est présent dans l'atmosphère sous forme de dioxyde de carbone,... 

Crédits : Planeta Actimedia S.A.© Encyclopædia Universalis France pour la version française.

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Le carbone est le quatorzième des éléments de la surface de la Terre classés par ordre d'abondance décroissante. Il constitue environ 0,9 p. 100 en masse de la lithosphère et de l'hydrosphère réunies. Certains échantillons, graphite et diamant, existent à l'état naturel sous forme cristallisée et dans un très grand état de pureté.

La grande majorité des composés du carbone relèvent de la chimie organique ; seuls seront examinés dans cet article des composés minéraux : oxydes et leurs dérivés, carbures métalliques et composés d'insertion, composés azotés.

L'élément et le corps simple

L'atome

Il résulte de son numéro atomique que le cortège électronique de l'atome de carbone correspond, dans son minimum d'énergie, au symbolisme : 1s2, 2s2, 2p2, c'est-à-dire que la couche la plus profonde des électrons (couche K) est complète avec deux électrons et que quatre électrons sont sur la couche externe L. Deux de ces électrons occupent l'orbitale 2s, les deux autres occupant chacun une orbitale différente parmi les trois orbitales 2p disponibles.

Le noyau contient toujours six protons mais le nombre de neutrons associés est variable : le carbone possède deux isotopes stables et cinq radio-isotopes. Seul le radio-isotope de nombre de masse 14 existe dans la couche superficielle de la Terre par suite, d'une part, de sa longue période et, d'autre part, de sa formation dans l'atmosphère par action de la composante neutronique du rayonnement cosmique sur l'azote. Cette réaction nucléaire se traduit par le symbole : 147N (np) 146C. Cet isotope radioactif du carbone a permis de déterminer l'âge de fossiles divers provenant de substances vivantes. Pour ce faire, on admet que l'intensité du rayonnement cosmique est restée constante du moins pendant un temps égal à plusieurs périodes τ de cet isotope (τ = 5 700 ans) ; on admet encore que les êtres vivants ne réalisent pas une fixation préférentielle de certains isotopes du carbone au cours de leur métabolisme ; aussi la concentration en radiocarbone devrait-elle se retrouver constante au cours des âges chez tous les êtres vivants. Cette concentration en radiocarbone ne peut se maintenir que si les échanges grâce au métabolisme avec le gaz carbonique de l'atmosphère ou toute autre source de carbone se poursuivent. Après la mort de l'animal ou de la plante, la teneur en radiocarbone diminue suivant la loi de désintégration radioactive du carbone 14. La radioactivité de l'isotope 14 du carbone correspond à la transmutation :

Les caractéristiques fondamentales de l'atome entraînent un rayon atomique faible et un potentiel de première ionisation moyennement élevé.

Diamant : propriétés physiques

Tableau : Diamant : propriétés physiques

Propriétés physiques du carbone (diamant). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Il résulte des caractéristiques du cortège électronique que l'atome de carbone est un peu moins facilement ionisable que l'atome d'un quelconque des éléments de la même colonne de la classification périodique (silicium, germanium, étain et plomb) et que cet atome est plus petit que ceux des autres éléments de cette colonne.

Variétés allotropiques

À côté des deux formes cristallines, graphite et diamant, le carbone existe sous différentes formes amorphes qui peuvent être assez impures. Les propriétés physiques varient beaucoup selon la variété considérée. Leurs propriétés chimiques, les composés d'insertion du graphite mis à part, sont les mêmes avec seulement des différences parfois notables de vitesse de réaction.

Diamant

Le diamant est une forme cristalline métastable à la température ordinaire, ce qui lui permet de se conserver sans la moindre transformation. Son domaine de stabilité correspond aux fortes pressions, le graphite étant la forme stable aux pressions ordinaires ou moyennes. Les études sur les domaines d'équilibre thermodynamique du carbone sont très difficiles par suite, d'une part, des lenteurs de certaines transformations et, d'autre part, des températures et pressions extrêmement élevées qu'elles nécessitent. Chauffé à l'abri de l'air à une température supérieure à 1 000 0C le diamant se recouvre d'une couche de graphite.

Diamant : structure

Dessin : Diamant : structure

La structure cubique du diamant comporte un atome central entouré de quatre autres atomes, sommets d'un tétraèdre. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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États du carbone

Dessin : États du carbone

Le diagramme d'états physiques du carbone. Une courbe assez rectiligne dans le plan pression-température sépare le domaine de stabilité du graphite du domaine de stabilité du diamant. Il y a un point triple auquel aboutit cette courbe et qui correspond à la coexistence du graphite, du... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les diamants se trouvent à l'état naturel dans les roches éruptives ultra-basiques (c'est le cas des diamants inclus dans la kimberlite d'Afrique du Sud) ; on les trouve plus souvent dans des formations alluvionnaires ; on en rencontre aussi dans quelques météorites.

Diamant

Photographie : Diamant

Le diamant, une des quatre pierres précieuses avec le rubis, le saphir et l'émeraude, le plus dur des minéraux, est uniquement constitué de carbone. Ce cristal de diamant brut jaune, sur gangue de grès, provient d'Alexander Bay en Namibie. 

Crédits : C. Bevilacqua/ De Agostini/ Getty Images

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On s'est préoccupé depuis longtemps d'en réaliser la synthèse, essentiellement en traitant du carbone à une température suffisante et sous forte pression. Moissan, à la fin du xixe siècle, quelques autres chimistes, depuis lors, ont pensé avoir fabriqué ainsi des diamants ; mais les moyens manquaient alors de caractériser la nature exacte de solides très durs et obtenus en très petites quantités. C'est en 1955 que la General Electric Company réalisa des diamants indiscutables par chauffage de carbone pendant plusieurs heures à 2 300 K sous une pression supérieure à 100 000 atmosphères et, depuis lors, on produit industriellement une certaine quantité de diamant. Les dimensions des cristaux synthétiques, qui restent généralement très petits, peuvent atteindre le millimètre. Leur teinte est souvent noire mais il est possible d'obtenir des cristaux plus clairs ; on a même fabriqué des cristaux transparents en utilisant des températures encore plus élevées.

Le diamant très pur est incolore et très dur, et son indice de réfraction est très élevé, le plus élevé des indices connus, soit nD = 2,42. Cet indice varie beaucoup avec la longueur d'onde, ce qui explique les feux et jeux de lumière remarquables que produit cette substance lorsqu'elle est judicieusement taillée. Les variétés très transparentes et très peu colorées sont utilisées en joaillerie, les variétés noires ou sombres dans l'industrie.

Graphite

Le graphite est l'autre forme cristalline du carbone. Il en existe deux variétés structurales. On le trouve dans la nature et les Anciens le connaissaient déjà, mais on le confondait avec d'autres minéraux assez semblables à lui par leur aspect ; c'est au xvie siècle qu'on exploita systématiquement des mines de graphite en vue d'obtenir le produit permettant de réaliser des crayons. Le gra [...]

Graphite

Photographie : Graphite

Le graphite est un élément natif uniquement constitué de carbone, comme le diamant. À l'opposé de ce dernier, cependant, le graphite est noir, tendre et n'a qu'un usage industriel. 

Crédits : James St. John/ flickr ; CC-BY

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Graphite : représentations schématiques

Dessin : Graphite : représentations schématiques

Le graphite est formé de plans parallèles d'atomes de carbone disposés suivant des hexagones réguliers partageant toutes leurs arêtes et leurs sommets (a). Il y a deux possibilités d'organisation naturelle de ces plans. En effet, selon une direction perpendiculaire à celle des plans... 

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Cycle du carbone

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Diamant : propriétés physiques

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Diamant : structure

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États du carbone

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Écrit par :

  • : ancien élève de l'École nationale supérieure de physique et de chimie de Paris, agrégé de physique, professeur honoraire de chimie générale à l'université de Paris-VI-Pierre-et-Marie-Curie
  • : docteur ès sciences, professeur honoraire de l'université de Paris-VI et de l'École centrale des arts et manufactures

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Pour citer l’article

Jean AMIEL, Henry BRUSSET, « CARBONE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 25 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/carbone/