Carbone

Carbone
6 C
- ↑ C ↓ Si Tableau p??riodique bore ← → carbone azote
Apparence
clair (diamant) et noir (graphite) Raies spectrales de carbone
Propri??t??s g??n??rales
Nom, symbole, nombre	carbone, C, 6
Prononciation	/ k ɑr b ən /
Cat??gorie Metallic	non m??talliques
Groupe, p??riode, bloc	14, 2, p
Poids atomique standard	12,011 (1)
Configuration ??lectronique	[Il] 2s 2 2p 2 2, 4
Histoire
D??couverte	Egyptiens et Sum??riens (3750 BC)
Reconnu comme un ??l??ment par	Antoine Lavoisier (1789)
Propri??t??s physiques
Phase	solide
Densit?? (?? proximit?? rt)	amorphe: 1.8 ?? 2.1 g ?? cm -3
Densit?? (?? proximit?? rt)	diamant: 3,515 g ?? cm -3
Densit?? (?? proximit?? rt)	graphite: 2,267 g ?? cm -3
Point de sublimation	3915 K, 3642 ?? C, 6588 ?? F
Point triple	4600 K (4327 ?? C), 10 800 kPa
La chaleur de fusion	117 (graphite) kJ ?? mol -1
Capacit?? thermique molaire	6.155 (diamant) 8,517 (graphite) J ?? mol -1 ?? K -1
Propri??t??s atomiques
??tats d'oxydation	4, 3, 2, 1, 0, -1, -2 , -3 , -4
??lectron??gativit??	2,55 (??chelle de Pauling)
??nergies d'ionisation ( plus)	1er: 1086,5 kJ ?? mol -1
	2??me: 2352,6 kJ ?? mol -1
	3??me: 4620,5 kJ ?? mol -1
Rayon covalente	77 (sp??), 73 (sp??), 69 (sp) h
Rayon de Van der Waals	170 h
Miscellan??es
Crystal structure	diamant (Diamant, clair)
	simples hexagonale (Graphite, noir)
Ordre magn??tique	diamagn??tique
Conductivit?? thermique	900-2300 (diamant) 119-165 (graphite) W ?? m -1 ?? K -1
Dilatation thermique	(25 ?? C) 0,8 (diamant) um ?? m -1 ?? K -1
Vitesse du son (tige mince)	(20 ?? C) 18 350 (diamant) m ?? s -1
Le module d'Young	1050 (diamant) GPa
Module de cisaillement	478 (diamant) GPa
Module Bulk	442 (diamant) GPa
Coefficient de Poisson	0,1 (diamant)
Duret?? Mohs	10 (diamant) 2.1 (graphite)
Num??ro de registre CAS	7440-44-0
La plupart des isotopes stables
Article d??taill??: Isotopes du carbone
iso N / A demi-vie DM DE ( MeV) DP 15 11 C syn 20 min β + 0,96 11 B 12 C 98,9% 12 C est stable avec 6 neutrons 13 C 1,1% 13 C est stable avec 7 neutrons 14 C trace 5730 y β - 0,15 14 N

Carbon (?? partir latine : carbo ??charbon??) est l' ??l??ment chimique avec le symbole C et de num??ro atomique six. En tant que membre de groupe 14 sur le tableau p??riodique , il est non m??tallique et t??travalent fabrication quatre ??lectrons disponibles pour former des liaisons chimiques covalentes. Il ya trois naturels isotopes , avec C ¹² et ¹³ C ??tant stable, tandis que ¹⁴ C est radioactifs, avec une d??composition de demi-vie d'environ 5730 ann??es. Le carbone est l'un des quelques ??l??ments connus depuis l'antiquit??.

Il y a plusieurs allotropes de carbone dont les plus connus sont graphite, le diamant , et carbone amorphe. Le propri??t??s physiques de carbone varient consid??rablement avec la forme allotropique. Par exemple, le diamant est tr??s transparent, alors que le graphite est opaque et noir. Diamond est parmi les mat??riaux les plus durs connus, tandis que le graphite est suffisamment souple pour former une s??rie sur papier (d'o?? son nom, du mot grec "??crire"). Diamant a une tr??s faible conductivit?? ??lectrique, tandis que le graphite est un tr??s bon conducteur. Dans des conditions normales, le diamant, nanotube de carbone et graph??ne ont le plus haut les conductivit??s thermiques du tous les mat??riaux connus.

Tous allotropes de carbone sont des solides dans des conditions normales avec le graphite ??tant le plus forme thermodynamiquement stable. Ils sont r??sistants chimiquement et n??cessitent une temp??rature ??lev??e ?? r??agir, m??me avec de l'oxyg??ne. La plus courante ??tat d'oxydation du carbone dans les compos??s inorganiques est 4, alors que deux se trouve dans le monoxyde de carbone et d'autres m??taux de transition des complexes de carbonyle. Les plus importantes sources de carbone inorganique sont calcaires, dolomies et dioxyde de carbone , mais des quantit??s importantes se produisent dans des d??p??ts organiques de charbon , la tourbe, l'huile et clathrates de m??thane. Carbone forme plus compos??s que de tout autre ??l??ment, avec pr??s de dix millions de purs compos??s organiques d??crites ?? ce jour, qui ?? leur tour sont une infime fraction de ces compos??s qui sont th??oriquement possible dans des conditions normales.

Le carbone est le 15 ??l??ment le plus abondant dans la cro??te de la Terre, et de la quatri??me ??l??ment le plus abondant dans l'univers en masse apr??s l'hydrog??ne , l'h??lium et l'oxyg??ne . Elle est pr??sente dans toutes les formes de vie connues, et le carbone du corps humain est le deuxi??me ??l??ment le plus abondant de la masse (environ 18,5%) apr??s l'oxyg??ne. Cette abondance, ainsi que la diversit?? unique de compos??s organiques et leur capacit?? de formation du polym??re inhabituelle aux temp??ratures couramment rencontr??es sur Terre , faire de cet ??l??ment de la base chimique de toute la vie connue.

Caract??ristiques

En th??orie pr??dit diagramme de phase du carbone

Les diff??rentes formes ou allotropes de carbone (voir ci-dessous) comprennent la substance naturelle la plus dure, le diamant , et aussi l'un des plus doux substances connues, graphite. En outre, il a une affinit?? pour la liaison avec d'autres petits atomes , y compris d'autres atomes de carbone, et est capable de former multiple stable des liaisons covalentes avec ces atomes. Par cons??quent, le carbone est connu de former pr??s de dix millions de compos??s diff??rents; la grande majorit?? de tous les compos??s chimiques . Carbon a ??galement le plus haut point de tous les ??l??ments de sublimation. ?? la pression atmosph??rique, il n'a pas de point de fusion comme son point triple est ?? 10,8 ?? 0,2 MPa et 4600 ?? 300 K (~ 4330 ?? C ou 7820 ?? F), il se sublime ?? environ 3900 K.

se sublime de carbone dans un arc de carbone qui a une temp??rature d'environ 5800 K (5530 ?? C; 9980 ?? F). Ainsi, quelle que soit sa forme allotropique, le carbone reste solide ?? des temp??ratures plus ??lev??es que les plus hauts des m??taux ?? point de fusion tels que le tungst??ne ou le rh??nium . Bien que thermodynamiquement sensibles ?? l'oxydation, r??siste ?? l'oxydation du carbone de fa??on plus efficace que des ??l??ments tels que le fer et le cuivre qui sont des agents r??ducteurs les plus faibles ?? la temp??rature ambiante.

Les compos??s de carbone constituent la base de toute vie connue sur la Terre , et de la le cycle carbone-azote fournit une partie de l'??nergie produite par le soleil et les autres ??toiles. Bien qu'il constitue une extraordinaire vari??t?? de compos??s, la plupart des formes de carbone sont relativement non r??actif dans les conditions normales. A temp??rature et pression normales, mais il r??siste ?? toutes les oxydants forts. Il ne r??agit pas avec l'acide sulfurique , l'acide chlorhydrique , du chlore ou d'alcalis. A des temp??ratures ??lev??es carbone r??agit avec l'oxyg??ne pour former des oxydes de carbone, et r??duire les oxydes m??talliques tels que l'oxyde de fer au m??tal. Cette r??action exothermique est utilis??e dans l'industrie du fer et de l'acier pour contr??ler la teneur en carbone de l'acier:

Fe ₃ O ₄ + 4 C _(s) → 3 Fe _(s) + 4 CO _(g)

avec le soufre pour former le disulfure de carbone et de vapeur d'eau dans la r??action charbon-gaz:

C _(s) + H ₂ O _(g) → CO _(g) + _{H2 (g).}

Carbone se combine avec certains m??taux ?? des temp??ratures ??lev??es pour former des carbures m??talliques tels que le carbure de fer c??mentite en acier, et le carbure de tungst??ne, largement utilis?? en tant que abrasif et pour faire des conseils durs pour outils de coupe.

En 2009, graph??ne semble ??tre le mat??riau le plus r??sistant jamais test??. Cependant, le processus de s??paration ?? partir de graphite, il faudra un certain d??veloppement technologique avant qu'il ne soit suffisamment ??conomique pour ??tre utilis?? dans les proc??d??s industriels.

Le syst??me de allotropes de carbone se ??tend sur une plage des extr??mes:

Allotropes

Carbone atomique est une esp??ce tr??s courte dur??e de vie et, par cons??quent, le carbone est stabilis?? dans diverses structures multi-atomiques avec diff??rentes configurations mol??culaires appel??s allotropes . Les trois allotropes relativement bien connus de carbone sont carbone amorphe, graphite et le diamant . Autrefois consid??r?? comme exotique, fuller??nes sont aujourd'hui couramment synth??tis??s et utilis??s dans la recherche; ils comprennent buckyballs, Les nanotubes de carbone, nanobuds de carbone et nanofibres. Plusieurs autres formes allotropiques exotiques ont ??galement ??t?? d??couvert, tel que lonsdal??ite, le carbone vitreux, nanomousse de carbone et carbone ac??tyl??nique lin??aire (carbyne).

Le forme amorphe est un assortiment d'atomes de carbone dans un non-cristallin, irr??guli??re, ??tat vitreux, qui est essentiellement graphite et non maintenu dans une macrostructure cristalline. Elle est pr??sente sous forme de poudre, et est le principal constituant de substances telles que charbon de bois, noir de fum??e ( suie) et charbon actif. ?? des pressions normales carbone prend la forme de graphite, dans laquelle chaque atome est li?? ?? trois autres trigone dans un plan compos?? d'fusionn??s hexagonaux anneaux, tout comme dans celles des hydrocarbures aromatiques. Le r??seau r??sultant est deux dimensions, et les feuilles plates r??sultantes sont empil??es et vaguement li?? par la faiblesse de van der Waals . Cela donne graphite sa douceur et sa propri??t??s de clivage (les feuilles glissent facilement devant l'autre). En raison de la d??localisation de l'un des ??lectrons externes de chaque atome pour former un π-Cloud, le graphite conduit l'??lectricit?? , mais seulement dans le plan de chaque li?? de fa??on covalente feuille. Il en r??sulte un encombrement plus faible conductivit?? ??lectrique pour le carbone que pour la plupart des m??taux . La d??localisation repr??sente aussi pour la stabilit?? ??nerg??tique de graphite sur le diamant ?? la temp??rature ambiante.

Certains allotropes de carbone: a) diamants ; b) graphite; c) lonsdal??ite; d-f) fuller??nes (C _60, C _540, C _70); g) carbone amorphe; h) nanotube de carbone.

?? des pressions tr??s ??lev??es carbone forme la plus compacte allotrope diamant , ayant pr??s de deux fois la densit?? de graphite. Ici, chaque atome est li?? en t??tra??dre ?? quatre autres, permettant ainsi un r??seau ?? 3 dimensions de pliss??es cycles ?? six cha??nons d'atomes. Le diamant a la m??me de structure cubique comme le silicium et le germanium et en raison de la force de la liaison carbone-carbone liaisons , ce est la substance naturelle la plus dure en termes de r??sistance ?? la rayure . Contrairement ?? la croyance populaire que " les diamants sont ??ternels ", ils sont en fait thermodynamiquement instable dans des conditions normales et se transforment en graphite. Toutefois, en raison d'une barri??re d'??nergie d'activation ??lev??e, la transition en graphite est ainsi extr??mement lente ?? la temp??rature ambiante pour ??tre imperceptible. Dans certaines conditions, le carbone cristallise en tant que lonsdal??ite. Cette forme a une hexagonale cristal r??seau o?? tous les atomes sont li??s de mani??re covalente. Par cons??quent, toutes les propri??t??s d'lonsdal??ite sont proches de celles du diamant.

Les fuller??nes ont une structure de type graphite, mais au lieu de purement emballage hexagonale, ils contiennent ??galement des pentagones (ou m??me heptagones) d'atomes de carbone, qui plient la feuille dans des sph??res, des ellipses ou des cylindres. Les propri??t??s des fuller??nes (divis?? en buckyballs, buckytubes et nanobuds) ne ont pas encore ??t?? enti??rement analys?? et repr??senter un champ intense de recherche dans nanomat??riaux. Les noms "fuller??ne?? et ??buckyball" sont donn??s apr??s Richard Buckminster Fuller, vulgarisateur de d??mes g??od??siques, qui ressemblent ?? la structure des fuller??nes. Les buckyballs sont assez grandes mol??cules form??es enti??rement en carbone li?? trigone, formant sph??ro??des (la plus connue et la plus simple est la forme soccerball-C ₆₀ buckminsterfullerene). Les nanotubes de carbone sont structurellement similaires aux fuller??nes, sauf que chaque atome est li?? trigone dans une feuille incurv??e qui forme un creux cylindre. Nanobuds ont ??t?? rapport??es en 2007 et sont des mat??riaux hybrides Bucky tubes / buckyball (buckyballs sont li??s de mani??re covalente ?? la paroi ext??rieure d'un nanotube) qui combinent les propri??t??s ?? la fois dans une structure unique.

Parmi les autres allotropes d??couverts, nanomousse de carbone est un allotrope ferromagn??tique d??couvert en 1997. Il se compose d'une faible densit?? cluster assemblage d'atomes de carbone se encha??nent dans une toile tridimensionnelle l??che, dans lequel les atomes sont li??s trigone dans les anneaux de six et sept cha??nons. Il est parmi les plus l??gers solides connus, avec une densit?? d'environ 2 kg / m ^3. De m??me, carbone vitreux contient une forte proportion de fermeture porosit??, mais contrairement ?? graphite normale, les couches de graphite ne sont pas empil??s comme les pages d'un livre, mais un arrangement plus al??atoire. Linear carbone ac??tyl??nique a la structure chimique - (C ::: C) _n -. Carbone dans cette modification est lin??aire avec sp hybridation orbital, et est un polym??re avec alternance des liaisons simples et triples. Ce type de carbyne est d'un int??r??t consid??rable pour la nanotechnologie comme son Le module de Young est quarante fois sup??rieur ?? celui de la mati??re la plus dure connue - diamant.

Occurrence

minerai de graphite

Cristal de diamant brut.

(1990) surface de la mer "de jour pr??sent" dissous concentration en carbone inorganique (?? partir de la GLODAP climatologie)

Le carbone est le quatri??me ??l??ment chimique le plus abondant dans l'univers en masse apr??s l'hydrog??ne, l'h??lium et oxyg??ne. Le carbone est abondant dans les Sun , ??toiles , com??tes , et dans le atmosph??res de la plupart des plan??tes . Certains m??t??orites contiennent des diamants microscopiques qui ont ??t?? form??es lorsque le syst??me solaire ??tait encore un disque protoplan??taire. Diamants microscopiques peuvent ??galement ??tre form??es par la pression intense et haute temp??rature sur les sites des impacts de m??t??orites.

En combinaison avec de l'oxyg??ne en dioxyde de carbone , le carbone se trouve dans l'atmosph??re de la terre (environ 810 gigatonnes de carbone) et dissous dans tous les plans d'eau (environ 36 000 gigatonnes de carbone). Environ 1 900 gigatonnes de carbone sont pr??sents dans la biosph??re . Hydrocarbures (tels que le charbon , le p??trole et le gaz naturel ) contiennent du carbone que bien charbon ??r??serves?? (et non ??Ressources??) se ??l??vent ?? environ 900 gigatonnes, et r??serves de p??trole autour de 150 gigatonnes. Sources prouv??es de gaz naturel sont environ 175 10 ¹² m??tres cubes (repr??sentant environ 105 gigatonnes de carbone), mais on estime qu'il ya aussi environ 900 10 ¹² m??tres cubes de gaz ??non conventionnelles?? telles que gaz de schiste, ce qui repr??sente environ 540 gigatonnes de carbone. (Dans le pass??, les quantit??s d'hydrocarbures ??taient plus. Dans la p??riode de 1751 ?? 2008 environ 347 gigatonnes de carbone ont ??t?? lib??r??s que le dioxyde de carbone dans l'atmosph??re provenant de la combustion de combustibles fossiles.) Carbone est ??galement enferm?? comme le m??thane et hydrates de m??thane dans les r??gions polaires. On estime qu'au moins 1400 Gt de carbone est sous cette forme juste (et sous) le sous-marin perg??lisol de la Plateau sib??rien.

Le carbone est un ??l??ment majeur dans de tr??s grandes masses de carbonate de roche ( calcaire, dolomite, marbre et ainsi de suite). charbon est la principale source commerciale de carbone min??ral, ce qui repr??sente 4 000 gigatonnes ou 80% de carburant de carbone fossile. Il est ??galement riche en carbone - par exemple, anthracite contient 92 ?? 98%.

Quant aux formes allotropiques de carbone individuels, du graphite se trouve en grande quantit?? dans le ??tats-Unis (principalement en New York et Texas), la Russie , le Mexique , le Groenland et l'Inde . Les diamants naturels se produisent dans la roche kimberlite, a trouv?? dans les anciens volcaniques "cou", ou "tuyaux". La plupart des gisements de diamants sont en Afrique , notamment en Afrique du Sud , la Namibie , le Botswana , la R??publique du Congo et la Sierra Leone . Il ya aussi des d??p??ts dans Arkansas, le Canada , la Russie de l'Arctique , le Br??sil et dans le Nord et de l'Ouest Australie . Les diamants sont d??sormais ??galement r??cup??r??s ?? partir du fond de l'oc??an au large de la Cap de Bonne Esp??rance. Toutefois, si les diamants sont naturellement pr??sents, environ 30% de tous les diamants industriels utilis??s aux ??tats-Unis sont maintenant fait synth??tiquement.

Le carbone 14 est form?? dans les couches sup??rieures de la troposph??re et la stratosph??re, ?? une altitude de 9-15 km, par une r??action qui est pr??cipit?? par les rayons cosmiques. Les neutrons thermiques sont produits qui entrent en collision avec les noyaux d'azote-14, formant le carbone-14 et un proton.

Isotopes

Les isotopes de carbone sont des noyaux atomiques qui contiennent six protons plus un certain nombre de neutrons (variant de 2 ?? 16). Le carbone a deux, naturellement stables isotopes . L'isotope carbone 12 ⁽¹² C) constitue 98,93% du carbone sur la Terre, tandis que carbone-13 ^(13C) forme le 1,07% restant. La concentration de ¹² C est encore accrue dans les mati??res biologiques parce que les r??actions biochimiques discrimination contre ¹³ C. En 1961, le Union internationale de chimie pure et appliqu??e (UICPA) a adopt?? l'isotope comme base de carbone-12 poids atomiques. Identification de carbone dans Exp??riences de RMN se fait avec l'isotope ¹³ C.

Le carbone 14 ⁽¹⁴ C) est un ph??nom??ne naturel radio-isotope qui se produit dans l'??tat de traces sur la Terre jusqu'?? une partie par trillion (0,0000000001%), la plupart du temps confin??s dans les d??p??ts atmosph??riques et superficielles, en particulier des la tourbe et d'autres mati??res organiques. Cet isotope se d??sint??gre par 0,158 MeV β ^- ??missions. En raison de sa relativement courte demi-vie de 5730 ans ¹⁴ C est pratiquement absente dans les roches anciennes, mais est cr???? dans le la haute atmosph??re (inf??rieure stratosph??re et sup??rieure troposph??re) par interaction de l'azote avec les rayons cosmiques. L'abondance de ¹⁴ C dans le atmosph??re et dans les organismes vivants est presque constant, mais diminue pr??visible dans leur corps apr??s la mort. Ce principe est utilis?? dans datation au radiocarbone, invent?? en 1949, qui a ??t?? largement utilis?? pour d??terminer l'??ge des mati??res carbon??es avec des ??ges allant jusqu'?? environ 40000 ann??es.

Il ya 15 isotopes connus de carbone et la plus courte dur??e de ceux-ci est ⁸ C qui se d??sint??gre par protons et ??missions d??sint??gration alpha et a une demi-vie de 1.98739x10 ^-21 s. L'exotique ¹⁹ C pr??sente une halog??no nucl??aire, ce qui signifie que son rayon est sensiblement plus grande que celle qui serait attendue si le noyau se agissait d'un domaine constant de densit?? .

Formation dans les ??toiles

La formation du noyau de l'atome de carbone n??cessite une triple collision presque simultan??e de les particules alpha ( h??lium noyaux) dans le noyau d'une g??ant ou ??toiles superg??ante qui est connu sous le nom processus triple alpha, que les produits de d'autres r??actions de fusion nucl??aire de l'h??lium avec de l'hydrog??ne ou d'un autre produit de l'h??lium noyau lithium-5 et b??ryllium 8, respectivement, les deux qui sont tr??s instables et se d??sint??grent presque instantan??ment de retour en petits noyaux. Cela se produit dans des conditions de temp??ratures plus de 100 megakelvin concentration et d'h??lium que l'expansion rapide et le refroidissement de l'univers d??but interdites, et donc pas de carbone significative n'a ??t?? cr????s au cours de la Big Bang . Au lieu de cela, l'int??rieur des ??toiles dans le branche horizontale transform??e de trois noyaux d'h??lium en carbone au moyen de ce triple processus-alpha. Afin d'??tre disponible pour la formation de la vie comme nous le savons, ce carbone doit ensuite plus tard ??tre dispers?? dans l'espace sous forme de poussi??re, en supernovae explosions, dans le cadre de la mati??re qui se forme plus tard seconde, les syst??mes d'??toiles de troisi??me g??n??ration qui ont plan??tes d??sactualis??es partir cette poussi??re. Le syst??me solaire est une telle troisi??me g??n??ration de syst??me d'??toiles. Un autre des ??toiles m??canismes de fusion de Propulsion est le Cycle CNO, dans lequel les actes de carbone comme catalyseur pour permettre ?? la r??action de se d??rouler.

Les transitions de rotation des diff??rentes formes isotopiques de monoxyde de carbone (par exemple, ¹² CO, CO ¹³ et C ¹⁸ O) sont d??tectables dans le submillim??trique gamme de longueurs d'onde, et sont utilis??s dans l'??tude de nouvellement form?? ??toiles dans nuages mol??culaires.

le cycle du carbone

Diagramme du cycle du carbone. Les chiffres noirs indiquent combien de carbone est stock?? dans diff??rents r??servoirs, en milliards de tonnes (??GTC?? signifie gigatonnes de carbone; chiffres sont circa 2004). Les num??ros pourpres indiquent le carbone se d??place combien entre r??servoirs chaque ann??e. Les s??diments, tel que d??fini dans ce sch??ma, ne comprennent pas l'~ 70 millions GtC de roches carbonat??es et k??rog??ne.

Dans des conditions terrestres, la conversion d'un ??l??ment ?? un autre est tr??s rare. Par cons??quent, la quantit?? de carbone sur Terre est effectivement constante. Ainsi, les processus qui utilisent le carbone doivent obtenir quelque part et disposer ailleurs. Les chemins qui suit carbone dans l'environnement constituent la cycle du carbone. Par exemple, les plantes puisent dioxyde de carbone sur leur environnement et l'utiliser pour construire la biomasse, comme dans respiration de carbone ou le Cycle de Calvin, un processus de la fixation du carbone. Une partie de cette biomasse est consomm??e par des animaux, alors que peu de carbone exhal?? par les animaux est le dioxyde de carbone. Le cycle du carbone est beaucoup plus complexe que cette boucle courte; par exemple, une partie du dioxyde de carbone est dissous dans l'oc??an; v??g??taux morts ou de mati??res animales peuvent devenir p??trole ou le charbon , qui peut br??ler avec la lib??ration du carbone, devraient bact??ries pas consommer.

Compos??s

Compos??s organiques

Formule d??velopp??e de m??thane , le compos?? organique le plus simple possible.

Corr??lation entre le cycle du carbone et la formation de compos??s organiques. Chez les plantes, le dioxyde de carbone form?? par la fixation du carbone peut se joindre ?? l'eau dans la photosynth??se (vert) pour former des compos??s organiques, qui peuvent ??tre utilis??s et convertis par les plantes et les animaux.

Le carbone a la capacit?? de former de tr??s longues cha??nes de l'interconnexion des liaisons CC. Cette propri??t?? est appel??e concat??nation. Liaisons carbone-carbone sont solides et stables. Cette propri??t?? permet carbone pour former un nombre presque infini de compos??s; en fait, il ya des compos??s contenant du carbone plus connu que tous les compos??s des autres ??l??ments chimiques combin??s l'exception de ceux de l'hydrog??ne (parce que presque tous les compos??s organiques contiennent de l'hydrog??ne trop).

La forme la plus simple d'une mol??cule organique est le hydrocarbon??e une grande famille de mol??cules organiques qui sont compos??s d' hydrog??ne li??s ?? des atomes d'une cha??ne d'atomes de carbone. Longueur de la cha??ne, des cha??nes lat??rales et groupes fonctionnels affectent tous les propri??t??s des mol??cules organiques. Par La d??finition de l'UICPA, tous les autres compos??s organiques sont des compos??s fonctionnalis??s d'hydrocarbures.

Carbone se produit dans tous connus la vie organique et constitue la base de la chimie organique . Lorsque uni ?? l'hydrog??ne , il forme diff??rents hydrocarbures qui sont importantes pour l'industrie que r??frig??rants, des lubrifiants, des solvants , comme interm??diaires de synth??se chimique pour la fabrication de mati??res plastiques et p??trochimie et que les combustibles fossiles .

Lorsqu'il est combin?? avec de l'oxyg??ne et de l'hydrog??ne, le carbone peut former de nombreux groupes de compos??s biologiques importants, notamment les sucres , lignanes, chitines, des alcools , graisses et aromatique des esters, carot??no??des et terp??nes. Avec de l'azote , il se forme des alcalo??des, et avec l'addition de soufre il forme ??galement des antibiotiques , des acides amin??s et caoutchouc produits. Avec l'addition de phosphore de ces autres ??l??ments, il se forme de l'ADN et ARN, les transporteurs de produits chimiques code de la vie, et l'ad??nosine triphosphate (ATP), mol??cule ??nerg??tique de transfert le plus important dans toutes les cellules vivantes.

Compos??s inorganiques

G??n??ralement les compos??s qui sont associ??s ?? des min??raux ou qui ne contiennent pas un atome d'hydrog??ne ou un atome de fluor contenant du carbone, sont trait??s s??par??ment de classiques des compos??s organiques ; Mais la d??finition ne est pas rigide (voir les articles de r??f??rence ci-dessus). Parmi ceux-ci sont les oxydes de carbone simples. L'oxyde le plus important est le dioxyde de carbone (CO _2). Ce ??tait autrefois le principal constituant de la paleoatmosphere, mais est une composante mineure de l' atmosph??re de la Terre aujourd'hui. Dissous dans l' eau , il forme l'acide carbonique (H ₂ CO _3), mais comme la plupart des compos??s ayant de multiples atomes d'oxyg??ne li?? ?? simple sur un seul carbone, il est instable. Par cet interm??diaire, cependant, stabilis?? par r??sonance carbonate ions sont produits. Certains min??raux importants sont les carbonates, notamment calcite . Le disulfure de carbone (CS ₂₎ est similaire.

L'autre oxyde commun est le monoxyde de carbone (CO). Il est form?? par une combustion incompl??te, et est un gaz incolore et inodore. Les mol??cules contiennent chacun une triple liaison et sont assez polaire, d'o?? une tendance ?? se lier de mani??re permanente ?? des mol??cules d'h??moglobine, d??pla??ant l'oxyg??ne, qui a une affinit?? de liaison inf??rieure. Cyanide (CN ^-), a une structure similaire, mais se comporte comme un ion halog??nure ( pseudo). Par exemple, il peut se former du nitrure mol??cule de cyanog??ne ((CN _2)), similaire ?? halog??nures diatomiques. D'autres oxydes sont rares sous-oxyde de carbone (C ₃ O _2), le instable Monoxyde de dicarbone (C ₂ O), trioxyde de carbone (CO _3), Cyclopentanepentone (C ₅ O ₅₎ Cyclohexanehexone (C ₆ O _6), et anhydride mellitique (C ₁₂ O _9).

Avec r??actives des m??taux tels que tungst??ne , de formes de carbone, soit carbures (C ^4), ou ac??tylures (C 2-
2) pour former des alliages ayant des points de fusion ??lev??s. Ces anions sont ??galement associ??s ?? du m??thane et d'ac??tyl??ne , ?? la fois tr??s faibles acides . Avec une ??lectron??gativit?? de 2,5, le carbone pour former pr??f??re des liaisons covalentes. Quelques carbures sont des r??seaux covalentes, comme carborundum (SiC), qui ressemble ?? diamant .

Compos??s organom??talliques

Les compos??s organom??talliques, par d??finition, contiennent au moins une liaison carbone-m??tal. Une large gamme de tels compos??s existent; les principales cat??gories comprennent des compos??s alkyl-m??talliques simples (par exemple, plomb t??tra??thyle), des compos??s η ² alc??ne (par exemple, De compos??s η ³ -allyl de sel de Zeise), et (par exemple, allylpalladium chlorure dim??re); m??talloc??nes contenant des ligands cyclopentadi??nyle (par exemple, ferrocene); et transition des complexes de carb??ne de m??tal. Beaucoup m??taux carbonyles existent (par exemple, tetracarbonylnickel); certains travailleurs consid??rent le monoxyde de carbone ligand soit purement inorganique, et non organom??tallique.

Bien que le carbone est entendu pour former quatre liaisons exclusivement, un compos?? contenant un int??ressant octa??drique hexacoordin??s atome de carbone n'a ??t?? rapport??. Le cation du compos?? est le [(Ph ₃ Pau) ₆ C] ^2+. Ce ph??nom??ne a ??t?? attribu?? au aurophilicity des ligands d'or.

Histoire et ??tymologie

Antoine Lavoisier dans sa jeunesse

L' Anglais nom vient du carbone latine carbo pour le charbon et le charbon de bois, d'o?? vient aussi le fran??ais charbon, ce qui signifie charbon. En allemand , n??erlandais et Danois, les noms pour le carbone sont Kohlenstoff, koolstof et kulstof respectivement, tous signifiant litt??ralement charbon , substance.

Carbon a ??t?? d??couvert dans la pr??histoire et ??tait connu dans les formes de suie et charbon de bois pour les premiers humains civilisations . Des diamants ont ??t?? connus probablement d??s 2500 BCE en Chine, tandis que le carbone sous forme de charbon a ??t?? faite autour de l'??poque romaine par la m??me chimie telle qu'elle est aujourd'hui, par chauffage bois dans une pyramide recouvert d' argile pour exclure l'air.

Carl Wilhelm Scheele

En 1722, Ren?? Antoine Ferchault de R??aumur d??montr?? que le fer a ??t?? transform?? en acier par l'absorption d'une substance, maintenant connu pour ??tre carbone. En 1772, Antoine Lavoisier a montr?? que les diamants sont une forme de carbone; quand il a br??l?? ??chantillons de charbon de bois et de diamants et a constat?? que ni produit de l'eau et que les deux publi?? la m??me quantit?? de dioxyde de carbone par g. En 1779, Carl Wilhelm Scheele a montr?? que le graphite, qui avait ??t?? consid??r?? comme une forme de plomb , ??tait ?? la place identique ?? charbon, mais avec un petit m??lange de fer, et qu'il a donn?? "acide a??rien" (son nom pour le dioxyde de carbone) lorsque oxyd?? avec nitrique acide. En 1786, les scientifiques fran??ais Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge et Vandermonde CA confirm?? que le graphite est principalement du carbone par oxydation en oxyg??ne de la m??me mani??re Lavoisier avait fait avec le diamant. Certains fer a ??t?? de nouveau ?? gauche, o?? les scientifiques fran??ais pensaient ??tait n??cessaire ?? la structure de graphite. Cependant, dans leur publication ils ont propos?? le nom carbone (de carbonum latine) pour l'??l??ment dans le graphite qui a ??t?? ??mis comme un gaz ?? graphite br??lant. Antoine Lavoisier a ensuite ??num??r?? carbone comme ??l??ment dans son manuel de 1789.

Une nouvelle allotrope du carbone, fuller??ne, qui a ??t?? d??couvert en 1985 comprend formes nanostructur??es telles que buckyballs et nanotubes. Leurs d??couvreurs - Robert Curl, Harold Kroto et Richard Smalley - a re??u le Prix Nobel de chimie en 1996. Le regain d'int??r??t pour de nouvelles formes r??sultant conduit ?? la d??couverte d'autres allotropes exotiques, y compris carbone vitreux, et la r??alisation que " carbone amorphe "ne est pas strictement amorphe.

Production

Graphite

Commercialement viables gisements naturels de graphite se produisent dans de nombreuses r??gions du monde, mais les sources les plus importantes sont ??conomiquement en Chine , l'Inde , le Br??sil et la Cor??e du Nord . d??p??ts de graphite sont des m??tamorphique origine, a trouv?? en association avec le quartz , mica et feldspaths dans les schistes, gneiss et m??tamorphos?? gr??s et comme calcaire lentilles ou veines, parfois d'un m??tre ou plus d'??paisseur. Gisements de graphite dans Borrowdale, Cumberland, Angleterre furent d'abord de la taille et de la puret?? suffisante pour que, jusqu'au 19??me si??cle, crayons ont ??t?? faites tout simplement par sciage des blocs de graphite naturel en bandes avant enfermant les bandes en bois. Aujourd'hui, les petits gisements de graphite sont obtenus par broyage de la roche m??re et flottant graphite briquet sur l'eau.

Il existe trois types de graphite amorphe naturelle, de paillettes ou de paillettes cristallin, et la veine ou forfaitaire. Graphite amorphe est la plus faible qualit?? et le plus abondant. Contrairement ?? la science, de l'industrie "amorphe" se r??f??re ?? tr??s faible taille des cristaux plut??t que l'absence totale de structure cristalline. Amorphe est utilis?? pour les produits de graphite de faible valeur et est le graphite prix le plus bas. De grands gisements de graphite amorphes se trouvent en Chine, en Europe, au Mexique et aux ??tats-Unis. Graphite lamellaire est moins fr??quente et de meilleure qualit?? que amorphe; elle se produit sous forme de plaques distinctes qui se sont cristallis??es dans la roche m??tamorphique. Graphite lamellaire peut ??tre quatre fois le prix de amorphe. Bonnes flocons de qualit?? peuvent ??tre transform??s en graphite expansible pour de nombreuses utilisations, telles que les retardateurs de flamme. Les plus grands gisements se trouvent en Autriche, Br??sil, Canada, Chine, Allemagne et Madagascar. Veine ou forfaitaire graphite est la plus rare le plus pr??cieux et le plus ??lev?? de type, de la qualit?? de graphite naturel. Il se produit dans les veines le long de contacts intrusifs en morceaux solides, et il est exploit?? commercialement seulement au Sri Lanka.

Selon le USGS, la production mondiale de graphite naturel ??tait de 1,1 millions de tonnes en 2010, ?? laquelle la Chine a contribu?? 800,00 t, l'Inde 130 000 t, 76 000 t le Br??sil, la Cor??e du Nord de 30 000 t et 25 000 t au Canada. Pas de graphite naturel extrait a ??t?? signal?? aux ??tats-Unis, mais 118 000 t de graphite synth??tique avec une valeur estim??e ?? $ 998 000 000 a ??t?? produite en 2009.

Diamant

la production de diamants en 2005

La cha??ne d'approvisionnement en diamants est contr??l?? par un nombre limit?? d'entreprises puissantes, et est ??galement fortement concentr??e dans un petit nombre d'endroits dans le monde (voir figure).

Seule une tr??s petite fraction du minerai de diamant est constitu??e de diamants r??els. Le minerai est broy??, pendant laquelle les soins doit ??tre pris afin d'??viter de gros diamants d'??tre d??truits dans ce processus et par la suite les particules sont tri??es par densit??. Aujourd'hui, les diamants se trouvent dans la fraction de densit?? riche en diamants ?? l'aide de Fluorescence de rayons X, apr??s quoi les ??tapes finales de tri sont effectu??es ?? la main. Avant l'utilisation de Les rayons X sont devenus monnaie courante, la s??paration a ??t?? fait avec les ceintures de graisse; diamants ont une plus forte tendance ?? coller ?? la graisse que les autres min??raux dans le minerai.

Historiquement diamants ont ??t?? connus pour ??tre trouv?? seulement dans les d??p??ts alluviaux dans sud de l'Inde. L'Inde a men?? le monde dans la production de diamants ?? partir du moment de leur d??couverte approximativement au 9??me si??cle avant notre ??re ?? la moiti?? du 18??me si??cle, mais le potentiel commercial de ces sources avait ??t?? ??puis?? par la fin du 18e si??cle et ?? l'??poque de l'Inde a ??t?? ??clips?? par Br??sil o?? les premiers diamants non-indiens ont ??t?? trouv??s en 1725.

La production de diamants des gisements primaires (kimberlites et lampro??tes) n'a commenc?? dans les ann??es 1870 apr??s la d??couverte des champs de diamants en Afrique du Sud. La production a augment?? au fil du temps et maintenant un total cumul?? de 4,5 milliards de carats ont ??t?? extraites depuis cette date. Environ 20% de ce montant a ??t?? exploit?? dans les 5 derni??res ann??es seulement, et au cours des dix derni??res ann??es 9 nouvelles mines ont commenc?? la production tandis que 4 autres sont en attente d'??tre ouvert bient??t. La plupart de ces mines sont situ??es au Canada, au Zimbabwe, en Angola et un en Russie.

Aux ??tats-Unis, les diamants ont ??t?? trouv??es dans Arkansas, Colorado et Montana. En 2004, une d??couverte surprenante d'un diamant microscopique aux Etats-Unis a conduit ?? l'??chantillonnage en vrac de Janvier 2008 chemin??es de kimberlite dans une partie recul??e de Montana.

Aujourd'hui, les gisements de diamants les plus commercialement viables sont la Russie , le Botswana , l'Australie et la R??publique d??mocratique du Congo . En 2005, la Russie a produit pr??s d'un cinqui??me de la production mondiale de diamants, rapporte le British Geological Survey. L'Australie a le plus riche tuyau diamantif??re avec une production atteignant des niveaux de pointe de 42 tonnes (41 tonnes longues; 46 tonnes courtes) par an dans les ann??es 1990. Il ya aussi des d??p??ts commerciaux ??tant min??es activement ?? la Territoires du Nord-Ouest de Canada , Sib??rie (surtout dans Yakoutie territoire; par exemple, Tuyau Mir et Udachnaya pipe), au Br??sil et dans le Nord et de l'Ouest Australie .

Applications

Crayon m??ne pour les crayons m??caniques sont en graphite (souvent m??lang?? avec de l'argile ou un liant de synth??se).

B??tons de vigne et comprim?? charbon de bois.

Un tissu de filaments de carbone tiss??es

Le carbure de silicium monocristal

Le C ₆₀ fuller??ne sous forme cristalline

Carbure de tungst??ne bits de fraisage

Le carbone est essentielle ?? tous les syst??mes vivants connus, et sans elle la vie comme nous la connaissons ne pourrait exister (voir biochimie de remplacement). L'utilisation économique majeur autre que la nourriture et le bois carbone est sous forme d'hydrocarbures, notamment le combustible fossile le méthane gaz et le pétrole brut (pétrole). Le pétrole brut est utilisé par l' industrie pétrochimique pour produire, entre autres choses, l'essence et le kérosène, par une distillation processus, dans les raffineries. La cellulose est un polymère naturel, contenant du carbone produit par les plantes sous forme de coton , lin et chanvre. Cellulose est principalement utilisé pour maintenir la structure dans les plantes. Commercialement polymères de carbone valeur d'origine animale comprennent la laine , le cachemire et la soie. plastiques sont fabriqués à partir de polymères synthétiques de carbone, souvent avec des atomes d'oxygène et d'azote inclus à intervalles réguliers dans la chaîne polymère principale. Les matières premières pour bon nombre de ces substances synthétiques proviennent de pétrole brut.

Les utilisations de carbone et de ses composés sont extrêmement variées. On peut former des alliages avec du fer , dont la plus courante est l'acier au carbone. Le graphite est combiné avec des argiles pour former le "chef de file" utilisé dans les crayons utilisés pour l'écriture et dessin . Il est ??galement utilis?? en tant que lubrifiant et un pigment , en tant que matériau de moulage en verre fabrication, en électrodes pour sèches batteries et dans la galvanoplastie et la galvanoplastie, de brosses pour moteurs électriques et comme modérateur de neutrons dans les r??acteurs nucl??aires.

Charbon de bois est utilisé comme matériau de dessin dans artwork , pour griller, et dans de nombreux autres usages, y compris la fusion du fer. Bois, charbon et le pétrole sont utilisées comme combustible pour la production d'énergie et le chauffage. Gem qualité de diamant est utilisé dans les bijoux et les diamants industriels sont utilisés dans le forage, outils de coupe et de polissage pour l'usinage des métaux et de la pierre. Les matières plastiques sont fabriqués à partir des hydrocarbures fossiles, et la fibre de carbone, par pyrolyse de synthèse de polyester de fibres est utilisé pour renforcer des matières plastiques pour former des légers avancés matériaux composites. La fibre de carbone est réalisée par pyrolyse de extrudée et étirée filaments de polyacrylonitrile (PAN) et d'autres organique substances. La structure et les propriétés mécaniques de la fibre cristallographiques dépendent du type de matière de départ, et le traitement ultérieur. Les fibres de carbone à base de PAN ont une structure ressemblant à filaments étroits de graphite, mais le traitement thermique peuvent réorganiser la structure en tôle laminée continue. Le résultat est plus élevé avec des fibres de rupture spécifique que l'acier.

Le noir de carbone est utilisé comme noir pigment dans l'impression de l'encre, peinture à l'huile et de l'eau aux couleurs de l'artiste, du papier carbone, finitions automobiles, l'Inde encre et une imprimante laser toner. Le noir de carbone est également utilisé comme une charge dans le caoutchouc des produits tels que les pneus et plastiques composés . Le charbon actif est utilisé comme absorbant et adsorbant en matériau filtrant dans des applications aussi diverses que des masques à gaz, la purification de l'eau et des cuisine hottes aspirantes et en médecine pour absorber les toxines, les poisons, ou de gaz à partir du système digestif. Le carbone est utilisé dans la réduction chimique à haute température. Le coke est utilisé pour réduire le minerai de fer en fonte. durcissement de cas de l'acier est obtenu par chauffage terminé composants en acier dans la poudre de carbone. Carbure de silicium, le tungstène, le bore et le titane, sont parmi les plus durement connue des matériaux, et sont utilisés comme abrasifs dans les outils de coupe et de meulage. Les composés de carbone constituent la plupart des matériaux utilisés dans les vêtements, comme naturels et synthétiques textiles et cuir, et presque toutes les surfaces intérieures de l' environnement bâti autre que le verre, la pierre et le métal.

Diamonds

Le diamant industrie peut être largement séparé en deux catégories fondamentalement distinctes: l'une traitant de diamants de qualité gemme et un autre pour les diamants de qualité industrielle. Même si un grand commerce dans les deux types de diamants existe, les deux marchés agissent radicalement différentes façons.

Un grand commerce desdiamants de qualité gemme existe. Contrairement ?? métaux précieux tels quel'oroule platine, diamants de joaillerie ne se négocient pas comme unemarchandise: il ya une majoration substantielle de la vente de diamants, et il n'y a pas un marché très actif pour la revente de diamants.

Le marché des diamants de qualité industrielle fonctionne un peu différemment de son homologue de qualité gemme. Les diamants industriels sont évalués principalement pour leur dureté et la conductivité de la chaleur, ce qui rend la plupart des caractéristiques de gemmologie de diamant, y compris la clarté et la couleur, la plupart du temps hors de propos. Cela contribue à expliquer pourquoi 80% des diamants extraits (équivalant à environ 100 millions de carats ou 20 tonnes par an), impropres à l'utilisation que les pierres précieuses et connus comme bort , sont destinés à un usage industriel. En plus de diamants extraits, les diamants synthétiques ont trouvé des applications industrielles presque immédiatement après leur invention dans les années 1950; 3 milliards de carats (600 tonnes) de diamant synthétique sont produites chaque année pour un usage industriel. L'utilisation industrielle dominante du diamant est en coupe, le perçage, le meulage et le polissage. La plupart des utilisations de diamants dans ces technologies ne nécessitent pas de gros diamants; en fait, la plupart des diamants qui sont de qualité gemme, sauf pour leur petite taille, peuvent trouver une utilisation industrielle. Les diamants sont intégrés dans des conseils de forage ou des lames de scie, ou broyé en une poudre pour une utilisation dans le meulage et le polissage. Applications spécialisées comprennent l'utilisation dans les laboratoires comme confinement pour les expériences à haute pression (voir la cellule d'enclume de diamant), de haute performance , des roulements et de l'utilisation limitée dans spécialisées fenêtres. Avec les progrès constants réalisés dans la production de diamants synthétiques, les applications futures commencent à devenir possible. Ayant récolté beaucoup d'excitation est l'utilisation possible du diamant comme un semi-conducteurs adaptés pour construire des puces à partir de, ou l'utilisation du diamant comme un dissipateur de chaleur dans l'électronique .

Pr??cautions

Ouvrier travaillant à l'usine de noir de carbone dansSunray, Texas (photo deJohn Vachon, 1942)

Carbone pur a extr??mement faible toxicité pour l'homme et peut être manipulé et même ingéré en toute sécurité sous la forme de graphite ou de charbon de bois. Il est résistant à la dissolution ou l'attaque chimique, même dans le contenu acide du tractus digestif, par exemple. Par conséquent une fois qu'il pénètre dans les tissus de l'organisme, il est probable d'y rester indéfiniment. Le noir de carbone est probablement l'un des premiers pigments à être utilisé pour le tatouage, et Ötzi a été trouvé pour avoir des tatouages ??????de carbone qui ont survécu au cours de sa vie et pour 5200 années après sa mort. Cependant, l'inhalation de la poussière de charbon ou de la suie ( noir de carbone) en grandes quantités peut être dangereux, irritant les tissus pulmonaires et provoquant l'congestive maladie pulmonaire Anthracose. De même, la poussière de diamant utilisé comme abrasif peut faire mal si ingéré ou inhalé. Microparticules de carbone sont produites dans les gaz d'échappement des moteurs diesel, et peuvent s'accumuler dans les poumons. Dans ces exemples, les effets néfastes peuvent résulter de la contamination des particules de carbone, avec des produits chimiques organiques ou des métaux lourds par exemple, plutôt que de l'atome de carbone lui-même.

Carbon a généralement une faible toxicité pour presque tous la vie sur Terre ; Toutefois, pour certaines créatures il peut encore être toxique - par exemple, des nanoparticules de carbone sont un des toxines mortelles à la drosophile .

Le carbone peut également brûler vigoureusement et vives en présence d'air à des températures élevées, comme dans le feu de Windscale, qui a été causée par la libération soudaine de stocké l'énergie Wigner dans le noyau de graphite. D'importantes accumulations de charbon, qui sont restés inertes pour des centaines de millions d'années, en l'absence d'oxygène, peuvent brûler spontanément lorsqu'il est exposé à l'air, par exemple dans les conseils de déchets des mines de charbon.

La grande variété de composés de carbone comprennent ces poisons mortels que la tétrodotoxine, la lectine ricine à partir des graines de la plante de l'huile de ricin Ricinus communis , le cyanure (CN ^- ) et le monoxyde de carbone; et ces éléments essentiels à la vie comme le glucose et protéines .

Collage au carbone