CARBONE: PROPRIÉTÉS, STRUCTURE, OBTENTION, UTILISATIONS - CHIMIE - 2025

Le carbone est un élément chimique non métallique dont le symbole chimique est C. du nom du charbon, végétal ou minéral, où ses atomes définissent diverses structures. De nombreux auteurs le qualifient de roi des éléments, car il forme une large gamme de composés organiques et inorganiques, et se produit également dans un nombre considérable d'allotropes.

Et si cela ne suffit pas pour s'y référer comme un élément spécial, on le retrouve dans tous les êtres vivants; toutes ses biomolécules doivent leur existence à la stabilité et à la force des liaisons CC et à leur forte tendance à se concaténer. Le carbone est l'élément de la vie, et avec ses atomes leurs corps sont construits.

Le bois des arbres est composé principalement d'hydrates de carbone, l'un des nombreux composés riches en carbone. Source: Pexels.

Les composés organiques avec lesquels les biomatériaux sont construits sont pratiquement constitués de squelettes de carbone et d'hétéroatomes. Ceux-ci peuvent être vus à l'œil nu dans le bois des arbres; et aussi, quand la foudre les frappe et les rôtit. Le solide noir inerte restant contient également du carbone; mais c'est du charbon de bois.

Ainsi, il existe des manifestations «mortes» de cet élément: le charbon de bois, produit de la combustion dans les environnements pauvres en oxygène; et le charbon minéral, produit de processus géologiques. Les deux solides se ressemblent, ils sont noirs et ils brûlent pour produire de la chaleur et de l'énergie; bien qu'avec des rendements différents.

À partir de ce moment, le carbone est le 15e élément le plus abondant de la croûte terrestre. Pas étonnant que des millions de tonnes de charbon soient produites chaque année. Ces minéraux diffèrent dans leurs propriétés en fonction du degré d'impuretés, plaçant l'anthracite comme le charbon minéral de la plus haute qualité.

La croûte terrestre n'est pas seulement riche en charbon minéral, mais aussi en carbonates, en particulier en calcaire et en dolomites. Et en ce qui concerne l'Univers, c'est le quatrième élément le plus abondant; Je veux dire, il y a plus de carbone sur les autres planètes.

Histoire du carbone

Rétrospection

Le carbone peut être aussi vieux que la croûte terrestre elle-même. Depuis des temps immémoriaux, les civilisations anciennes ont rencontré cet élément dans ses nombreuses présentations naturelles: suie, charbon de bois, charbon de bois, charbon de bois, diamants, graphite, goudron de houille, anthracite, etc.

Tous ces solides, bien qu'ils partageaient les tons sombres (à l'exception du diamant), le reste de leurs propriétés physiques, ainsi que leur composition, différaient remarquablement. À l'époque, il était impossible de prétendre qu'ils se composaient essentiellement d'atomes de carbone.

C'est ainsi qu'à travers l'histoire, le charbon a été classé selon sa qualité au moment de la combustion et de la chaleur. Et avec les gaz formés par sa combustion, les masses d'eau ont été chauffées, ce qui a produit des vapeurs qui ont déplacé des turbines qui ont généré des courants électriques.

Du carbone d'une manière insoupçonnée était présent dans le charbon de bois produit en brûlant des arbres dans des espaces fermés ou hermétiques; dans le graphite avec lequel les crayons ont été fabriqués; dans les diamants utilisés comme pierres précieuses; il était responsable de la dureté de l'acier.

Son histoire va de pair avec le bois, la poudre à canon, les gaz d'éclairage des villes, les trains et les navires, la bière, les lubrifiants et autres objets essentiels pour l'avancement de l'humanité.

Reconnaissance

À quel moment les scientifiques ont-ils pu associer les allotropes et minéraux du carbone au même élément? Le charbon était considéré comme un minéral et n'était pas considéré comme un élément chimique digne du tableau périodique. La première étape aurait dû être de montrer que tous ces solides étaient transformés en un même gaz: dioxyde de carbone, CO ₂.

Antoine Lavoisier en 1772, utilisant une monture en bois à larges verres, focalisait les rayons du soleil sur des échantillons de charbon de bois et d'un diamant. Il a constaté qu'aucun d'eux ne formait de vapeurs d'eau mais du CO ₂. Il a fait la même chose avec la suie et a obtenu les mêmes résultats.

Carl Wilhelm Scheele en 1779, a trouvé la relation chimique entre le charbon de bois et le graphite; c'est-à-dire que les deux solides étaient composés des mêmes atomes.

Smithson Tennant et William Hyde Wollaston en 1797 ont vérifié méthodologiquement (par des réactions) que le diamant était bien composé de carbone en produisant du CO ₂ lors de sa combustion.

Avec ces résultats, la lumière fut bientôt projetée sur le graphite et le diamant, solides formés par le carbone, et donc d'une grande pureté; contrairement aux solides impurs du charbon et d'autres minéraux carbonés.

Propriétés

Les propriétés physiques ou chimiques des solides, des minéraux ou des matériaux carbonés sont sujettes à de nombreuses variables. Parmi eux, on peut citer: la composition ou le degré d'impuretés, les hybridations des atomes de carbone, la diversité des structures et la morphologie ou la taille des pores.

Pour décrire les propriétés du carbone, la plupart des textes ou sources bibliographiques sont basés sur le graphite et le diamant.

Parce que? Parce qu'ils sont les allotropes les plus connus pour cet élément et qu'ils représentent des solides ou des matériaux de haute pureté; c'est-à-dire qu'ils ne sont pratiquement constitués que d'atomes de carbone (bien qu'avec des structures différentes, comme cela sera expliqué dans la section suivante).

Les propriétés du charbon de bois et du charbon minéral diffèrent respectivement par leurs origines ou leurs compositions. Par exemple, le lignite (à faible teneur en carbone) en tant que carburant rampe par rapport à l'anthracite (à haute teneur en carbone). Et que dire des autres allotropes: nanotubes, fullerènes, graphènes, graffins, etc.

Cependant, chimiquement, ils ont un point commun: ils s'oxydent avec un excès d'oxygène dans le CO ₂:

C + O ₂ => CO ₂

Or, la vitesse ou la température dont ils ont besoin pour s'oxyder sont spécifiques à chacun de ces allotropes.

Graphite vs diamant

Un bref commentaire sera également fait ici concernant les propriétés très différentes de ces deux allotropes:

Tableau dans lequel certaines propriétés des deux allotropes cristallins du carbone sont comparées. Source: Gabriel Bolívar.

Structure et configuration électronique

Hybridisations

Relation entre les orbitales hybrides et les structures possibles pour le carbone. Source: Gabriel Bolívar.

La configuration électronique de l'atome de carbone est 1s ² 2s ² 2p ², également écrite comme 2s ² 2p ² (image du haut). Cette représentation correspond à son état fondamental: l'atome de carbone isolé et suspendu dans un tel vide qu'il ne peut pas interagir avec les autres.

On peut voir que l'une de ses orbitales 2p est dépourvue d'électrons, ce qui accepte un électron de l'orbitale 2s d'énergie inférieure par promotion électronique; et ainsi, l'atome acquiert la capacité de former jusqu'à quatre liaisons covalentes à travers ses quatre orbitales hybrides sp ³.

Notez que les quatre orbitales sp ³ sont dégénérées en énergie (alignées au même niveau). Les orbitales p pures sont plus énergétiques, c'est pourquoi elles sont placées au-dessus des autres orbitales hybrides (à droite de l'image).

S'il y a trois orbitales hybrides, c'est qu'il reste une orbitale p non hybridée; par conséquent, ce sont trois orbitales sp ². Et lorsqu'il y a deux de ces orbitales hybrides, deux orbitales p sont disponibles pour former des doubles ou des triples liaisons, soit l'hybridation du carbone sp.

De tels aspects électroniques sont essentiels pour comprendre pourquoi le carbone peut être trouvé dans une infinité d'allotropes.

Numéros d'oxydation

Avant de poursuivre avec les structures, il convient de mentionner que, étant donné la configuration électronique de la valence 2s ² 2p ², le carbone peut avoir les numéros d'oxydation suivants: +4, +2, 0, -2 et -4.

Parce que? Ces nombres correspondent à l'hypothèse qu'il existe une liaison ionique telle que vous formez les ions avec les charges respectives; c'est-à-dire C ⁴⁺, C ²⁺, C ⁰ (neutre), C ^2- et C ^4-.

Pour que le carbone ait un indice d'oxydation positif, il doit perdre des électrons; Et pour ce faire, il doit nécessairement être lié à des atomes très électronégatifs (comme l'oxygène).

Pendant ce temps, pour que le carbone ait un indice d'oxydation négatif, il doit gagner des électrons en se liant à des atomes métalliques ou moins électronégatifs que lui (comme l'hydrogène).

Le premier nombre d'oxydation, +4, signifie que le carbone a perdu tous ses électrons de valence; les orbitales 2s et 2p restent vides. Si l'orbitale 2p perd ses deux électrons, le carbone aura un indice d'oxydation de +2; si vous gagnez deux électrons, vous aurez -2; et si vous gagnez deux électrons de plus en complétant votre octet de valence, -4.

Exemples

Par exemple, pour le CO _2, l'indice d'oxydation du carbone est +4 (car l'oxygène est plus électronégatif); tandis que pour CH ₄, il est de -4 (car l'hydrogène est moins électronégatif).

Pour CH ₃ OH, l'indice d'oxydation du carbone est -2 (+1 pour H et -2 pour O); tandis que pour HCOOH, c'est +2 (vérifiez que la somme donne 0).

D'autres états d'oxydation, tels que -3 et +3, sont également probables, en particulier lorsqu'il s'agit de molécules organiques; par exemple, dans les groupes méthyle, -CH ₃.

Géométries moléculaires

L'image du haut montrait non seulement l'hybridation des orbitales pour l'atome de carbone, mais aussi les géométries moléculaires résultantes lorsque plusieurs atomes (sphères noires) étaient liés à un atome central. Cet atome central pour avoir un environnement géométrique spécifique dans l'espace, doit avoir l'hybridation chimique respective qui le permet.

Par exemple, pour le tétraèdre l'atome de carbone central possède sp ³ hybridation; car telle est la disposition la plus stable pour les quatre orbitales hybrides sp ³. Dans le cas des carbones sp ², ils peuvent former des doubles liaisons et avoir un environnement plan trigonal; et ainsi ces triangles définissent un hexagone parfait. Et pour une hybridation sp, les carbones adoptent une géométrie linéaire.

Ainsi, les géométries observées dans les structures de tous les allotropes sont simplement gouvernées par des tétraèdres (sp ³), des hexagones ou pentagones (sp ²) et des lignes (sp).

Les tétraèdres définissent une structure 3D, tandis que les hexagones, pentagones et lignes, structures 3D ou 2D; Ces derniers sont les plans ou feuilles similaires aux parois des nids d'abeilles:

Mur avec des dessins hexagonaux d'un nid d'abeille en analogie avec des plans composés de carbones sp2. Source: Pixabay.

Et si on plie cette paroi hexagonale (pentagonale ou mixte), on obtiendra un tube (nanotubes) ou une boule (fullerènes), ou une autre figure. Les interactions entre ces figures donnent lieu à des morphologies différentes.

Solides amorphes ou cristallins

Abstraction faite des géométries, hybridations ou morphologies des structures possibles du carbone, ses solides peuvent être globalement classés en deux types: amorphes ou cristallins. Et entre ces deux classifications leurs allotropes sont répartis.

Le carbone amorphe est simplement celui qui présente un mélange arbitraire de tétraèdres, d'hexagones ou de lignes, incapable d'établir un modèle structurel; c'est le cas du charbon, du charbon de bois ou du charbon actif, du coke, de la suie, etc.

Alors que le carbone cristallin se compose de modèles structurels constitués de l'une des géométries proposées; par exemple, le diamant (réseau tridimensionnel de tétraèdres) et le graphite (feuilles hexagonales empilées).

Obtention

Le carbone peut être pur sous forme de graphite ou de diamant. Ceux-ci se trouvent dans leurs gisements minéralogiques respectifs, dispersés dans le monde entier et dans différents pays. C'est pourquoi certains pays sont plus exportateurs de l'un de ces minéraux que d'autres. Bref, "il faut creuser la terre" pour obtenir le carbone.

Il en va de même pour le charbon minéral et ses types. Mais ce n'est pas le cas du charbon de bois, puisqu'un corps riche en carbone doit d'abord «périr», soit sous le feu, soit sous un éclair électrique; bien sûr, en l'absence d'oxygène, sinon du CO ₂ serait libéré.

Une forêt entière est une source de carbone comme le charbon de bois; non seulement pour ses arbres, mais aussi pour sa faune.

En général, les échantillons contenant du carbone doivent subir une pyrolyse (combustion en l'absence d'oxygène) pour libérer certaines des impuretés sous forme de gaz; et ainsi, un solide riche en carbone (amorphe ou cristallin) reste comme résidu.

Applications

Là encore, tout comme les propriétés et la structure, les utilisations ou applications sont cohérentes avec les allotropes ou les formes minéralogiques du carbone. Cependant, il existe certaines généralités qui peuvent être mentionnées, en plus de certains points bien connus. Tels sont:

-Le carbone est utilisé depuis longtemps comme réducteur minéral pour l'obtention de métaux purs; par exemple, le fer, le silicium et le phosphore, entre autres.

-C'est la pierre angulaire de la vie, et la chimie organique et la biochimie sont les études de cette réflexion.

-C'est aussi un combustible fossile qui a permis aux premières machines de démarrer leurs engrenages. De la même manière, le gaz carbonique des anciens systèmes d'éclairage en a été obtenu. Le charbon était synonyme de lumière, de chaleur et d'énergie.

-Mélangé comme additif avec du fer dans différentes proportions a permis l'invention et l'amélioration des aciers.

-Sa couleur noire a eu lieu dans l'art, en particulier le graphite et toutes les écritures faites avec ses lignes.

Risques et précautions

Le carbone et ses solides ne présentent aucun risque pour la santé. Qui s'est soucié d'un sac de charbon de bois? Ils sont vendus en masse dans les allées de certains marchés, et tant qu'il n'y a pas de feu à proximité, leurs blocs noirs ne brûleront pas.

Le coke, en revanche, peut présenter un risque si sa teneur en soufre est élevée. Lorsqu'il brûle, il dégage des gaz sulfureux qui, en plus d'être toxiques, contribuent aux pluies acides. Et bien que le CO ₂ en petites quantités ne puisse pas nous étouffer, il a un impact énorme sur l'environnement en tant que gaz à effet de serre.

De ce point de vue, le carbone est un danger «à long terme», car sa combustion modifie le climat de notre planète.

Et dans un sens plus physique, les matériaux solides ou carbonés, s'ils sont pulvérisés, sont facilement transportés par les courants d'air; et par conséquent, ils sont introduits directement dans les poumons, ce qui peut les endommager irrémédiablement.

Pour le reste, il est très courant de consommer du «charbon de bois» lorsque certains aliments sont cuits.

Références

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