CARBONE AMORPHE: TYPES, PROPRIÉTÉS ET UTILISATIONS - CHIMIE - 2025

Le carbone amorphe est toute structure allotropique remplie de défauts et d'irrégularités moléculaires du carbone. Le terme allotrope fait référence à un seul élément chimique, tel que l'atome de carbone, formant différentes structures moléculaires; certains cristallins et d'autres, comme dans ce cas, amorphes.

Le carbone amorphe n'a pas la structure cristalline à longue portée qui caractérise le diamant et le graphite. Cela signifie que le motif structurel reste légèrement constant lors de la visualisation des régions du solide qui sont très proches les unes des autres; et quand ils sont éloignés, leurs différences deviennent apparentes.

Charbon brûlant. Source: Pixabay

Les caractéristiques ou propriétés physiques et chimiques du carbone amorphe sont également différentes de celles du graphite et du diamant. Par exemple, il y a le fameux charbon de bois, un produit de la combustion du bois (image du haut). Ce n'est ni lubrifiant, ni brillant non plus.

Il existe plusieurs types de carbone amorphe dans la nature et ces variétés peuvent également être obtenues par synthèse. Parmi les diverses formes de carbone amorphe, on trouve le noir de carbone, le charbon actif, la suie et le charbon de bois.

Le carbone amorphe a des utilisations importantes dans l'industrie de la production d'électricité, ainsi que dans les industries du textile et de la santé.

Types de carbone amorphe

Il existe plusieurs critères pour les classer, tels que leur origine, leur composition et leur structure. Ce dernier dépend de la relation entre les carbones avec des hybridations sp ² et sp ³; c'est-à-dire ceux qui définissent un plan ou un tétraèdre, respectivement. Par conséquent, la matrice inorganique (minéralogique) de ces solides peut devenir très complexe.

Selon son origine

Il existe du carbone amorphe d'origine naturelle, car il est le produit de l'oxydation et des formes de décomposition de composés organiques. Ce type de carbone comprend la suie, le charbon et le carbone dérivés des carbures.

Le carbone amorphe synthétique est produit par des techniques de dépôt à l'arc cathodique et par pulvérisation. De manière synthétique, des revêtements de carbone amorphe de type diamant ou des films de carbone amorphe sont également fabriqués.

Structure

Le carbone amorphe peut également être groupé en trois grands types selon la proportion de liaisons sp ² ou sp ³ présentes. Il y a le carbone amorphe, qui appartient au carbone amorphe dit élémentaire (aC), le carbone amorphe hydrogéné (aC: H) et le carbone amorphe tétraédrique (ta-C).

Carbone amorphe élémentaire

Souvent abrégé BC ou BC, il comprend du charbon actif et du noir de carbone. Les variétés de ce groupe sont obtenues par combustion incomplète de substances animales et végétales; c'est-à-dire qu'ils brûlent avec un déficit stoechiométrique d'oxygène.

Ils présentent une proportion plus élevée de liaisons sp ² dans leur structure ou organisation moléculaire. Ils peuvent être imaginés comme une série de plans groupés, avec des orientations différentes dans l'espace, un produit de carbones tétraédriques qui établissent une hétérogénéité dans l'ensemble.

À partir d'eux, des nanocomposites ont été synthétisés avec des applications électroniques et le développement de matériaux.

Carbone amorphe hydrogéné

Abrégé en BC: H ou HAC. Ceux-ci comprennent la suie, la fumée, le charbon extrait comme le bitume et l'asphalte. La suie se distingue facilement lorsqu'il y a un incendie dans une montagne près d'une ville ou d'un village, où elle est observée dans les courants d'air qui la transportent sous forme de feuilles noires fragiles.

Comme son nom l'indique, il contient de l'hydrogène, mais lié de manière covalente à des atomes de carbone, et non de type moléculaire (H ₂). Autrement dit, il existe des liaisons CH. Si l'une de ces liaisons est libérée de l'hydrogène, ce sera une orbitale avec un électron non apparié. Si deux de ces électrons non appariés sont très proches l'un de l'autre, ils interagiront, provoquant les soi-disant liaisons pendantes.

Avec ce type de carbone amorphe hydrogéné, on obtient des films ou revêtements de plus faible dureté que ceux réalisés avec ta-C.

Carbone amorphe tétraédrique

Abrégé en ta-C, également appelé carbone de type diamant. Il contient une forte proportion de liaisons hybrides sp ³.

Les films de carbone amorphe ou les revêtements à structure tétraédrique amorphe appartiennent à cette classification. Ils manquent d'hydrogène, ont une dureté élevée et nombre de leurs propriétés physiques sont similaires à celles du diamant.

Moléculairement, il se compose de carbones tétraédriques qui ne présentent pas de modèle structurel à longue distance; alors que dans le diamant, l'ordre reste constant dans différentes régions du cristal. Le ta-C peut présenter un certain ordre ou motif caractéristique d'un cristal, mais seulement à courte distance.

Composition

Le charbon est organisé sous forme de couches de roche noire, contenant d'autres éléments tels que le soufre, l'hydrogène, l'azote et l'oxygène. De là, des carbones amorphes se forment tels que le charbon, la tourbe, l'anthracite et le lignite. L'anthracite est celui dont la composition en carbone est la plus élevée.

Propriétés

Le carbone amorphe véritable a des liaisons π localisées avec des écarts d'espacement interatomique et une variation de l'angle de liaison. Il possède des liaisons hybrides sp ² et sp ³ dont la relation varie selon le type de carbone amorphe.

Ses propriétés physiques et chimiques sont liées à son organisation moléculaire et à sa microstructure.

En général, il présente des propriétés de stabilité élevée et de dureté mécanique élevée, de résistance à la chaleur et de résistance à l'usure. De plus, il se caractérise par sa transparence optique élevée, son faible coefficient de frottement et sa résistance à divers agents corrosifs.

Le carbone amorphe est sensible aux effets de l'irradiation, a une stabilité électrochimique et une conductivité électrique élevées, entre autres propriétés.

Applications

Chacun des différents types de carbone amorphe a ses propres caractéristiques ou propriétés et des utilisations très particulières.

charbon

Le charbon est un combustible fossile, et par conséquent, c'est une source d'énergie importante, qui est également utilisée pour produire de l'électricité. L'impact environnemental de l'industrie des mines de charbon et son utilisation dans les centrales électriques sont aujourd'hui vivement débattus.

Charbon actif

Il est utile pour l'absorption sélective ou la filtration des contaminants de l'eau potable, des solutions de décoloration et peut même absorber les gaz sulfureux.

Noir carbone

Le noir de carbone est largement utilisé dans la fabrication de pigments, d'encres d'imprimerie et d'une variété de peintures. Ce carbone améliore généralement la résistance et la résistance des articles en caoutchouc.

En tant qu'agent de remplissage dans les jantes ou les pneus, il augmente leur résistance à l'usure et protège les matériaux de la dégradation causée par la lumière du soleil.

Films de carbone amorphe

L'utilisation technologique de films ou de revêtements de carbone amorphe dans des variétés d'écrans plats et de la microélectronique se développe. La proportion de liaisons sp ² et sp ³ signifie que les films de carbone amorphe ont des propriétés optiques et mécaniques de densité et de dureté variables.

De même, ils sont utilisés dans les revêtements antireflets, dans les revêtements de protection radiologique, entre autres utilisations.

Références

1. Shiver et Atkins. (2008). Chimie inorganique. (Quatrième édition). Mc Graw Hill.
2. Wikipédia. (2018). Charbon amorphe. Récupéré de: en.wikipedia.org
3. Kouchi A. (2014) Carbone amorphe. Dans: Amils R. et al. (eds) Encyclopédie d'astrobiologie. Springer, Berlin, Heidelberg.
4. Et à moi. (21 mai 2012). Formes allotropiques de carbone. Récupéré de: quimicaorganica-mky-yamile.blogspot.com
5. Science Direct. (2019). Carbone amorphe. Récupéré de: sciencedirect.com
6. Rubio-Roy, M., Corbella, C. et Bertran, E. (2011). Propriétés tribologiques des films minces de carbone amorphe fluoré. Récupéré de: researchgate.net