Sciences · Chimie
Le carbone
Le carbone est l’élément chimique de symbole C et de numéro atomique 6. Capable de former quatre liaisons et de longues chaînes, il est la base de la chimie du vivant, et se présente aussi bien en diamant qu’en graphite.
Mis à jour le 5 min de lecture
La mine d’un crayon et une bague de diamant sont faites du même élément. Le sucre, l’ADN, le pétrole, le plastique et le dioxyde de carbone qui réchauffe le climat aussi. Le carbone ne représente qu’une faible part de la croûte terrestre (de l’ordre de 0,02 % de sa masse), mais il est le plus polyvalent de tous : on connaît des millions de composés carbonés, plus que pour tous les autres éléments réunis.
Carte d’identité
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Symbole, numéro atomique | C, 6 |
| Masse atomique | 12,011 |
| Électrons externes | 4 |
| Valence | 4 (forme quatre liaisons covalentes) |
| Isotopes | carbone 12 (98,9 %), carbone 13 (1,1 %) stables ; carbone 14 radioactif |
| Changement d’état | sublime vers 3 600 °C à pression ordinaire, sans passer par l’état liquide |
| Abondance | 4e élément de l’Univers en masse ; environ 18 % de la masse du corps humain |
Pourquoi le carbone est-il si polyvalent ?
Avec ses quatre électrons externes, l’atome de carbone forme quatre liaisons covalentes, simples, doubles ou triples (voir liaisons chimiques). Surtout, il se lie facilement à lui-même : il construit des chaînes, des ramifications et des cycles de toutes tailles, stables à température ambiante. Il se combine aussi avec l’hydrogène, l’oxygène, l’azote, le soufre ou le phosphore. C’est l’objet de la chimie organique et la raison pour laquelle toute la chimie du vivant repose sur lui.
Les formes du carbone pur (allotropes)
Le même élément donne des matériaux aux propriétés opposées, selon l’agencement de ses atomes.
| Forme | Structure | Propriétés | Découverte ou usage |
|---|---|---|---|
| Diamant | réseau tridimensionnel, chaque atome lié à quatre voisins en tétraèdre | le plus dur des matériaux naturels (10 sur l’échelle de Mohs), isolant électrique, excellent conducteur de chaleur, transparent | joaillerie, outils de coupe et de forage |
| Graphite | feuillets plans d’hexagones empilés, faiblement liés entre eux | tendre, gris, conducteur d’électricité, les feuillets glissent | mines de crayon, lubrifiants, électrodes, batteries lithium-ion |
| Graphène | un seul feuillet de graphite, épais d’un atome | très résistant, souple, excellent conducteur | isolé en 2004 par Andre Geim et Konstantin Novoselov (Nobel de physique 2010) |
| Fullerènes | molécules sphériques, comme le C₆₀ en forme de ballon de football | découverts en 1985 (Nobel de chimie 1996 : Kroto, Curl, Smalley) | |
| Nanotubes | feuillets enroulés en tubes de quelques nanomètres de diamètre | très résistants et légers | décrits en 1991 par Sumio Iijima |
| Carbone amorphe | sans organisation régulière | charbon de bois, suie, noir de carbone (pneus, encres) |
Le graphite est la forme stable à pression ordinaire. Le diamant se forme à plus de 150 km de profondeur, sous des pressions et températures extrêmes, et remonte par des éruptions volcaniques anciennes. On le fabrique industriellement depuis les années 1950 ; les diamants synthétiques ont la même composition et la même structure que les naturels.
Les isotopes du carbone
- Le carbone 12 sert de référence : l’unité de masse atomique est définie comme le douzième de sa masse, et la mole fut longtemps définie par 12 g de carbone 12.
- Le carbone 13, stable, sert de traceur en géochimie et en médecine.
- Le carbone 14, radioactif (demi-vie de 5 730 ans), permet de dater les restes organiques jusqu’à environ 50 000 ans (voir isotopes).
Les principaux composés du carbone
| Composé | Formule | Rôle |
|---|---|---|
| Dioxyde de carbone | CO₂ | produit de la respiration et des combustions, gaz à effet de serre, utilisé par la photosynthèse |
| Monoxyde de carbone | CO | gaz toxique produit par les combustions incomplètes |
| Méthane | CH₄ | gaz naturel, puissant gaz à effet de serre |
| Carbonate de calcium | CaCO₃ | calcaire, craie, marbre, coquilles |
| Glucose | C₆H₁₂O₆ | carburant des cellules |
| Hydrocarbures | CₓHᵧ | pétrole, gaz, carburants |
Le cycle du carbone
Le carbone circule en permanence entre l’atmosphère, les êtres vivants, les océans et les roches.
| Réservoir | Stock approximatif (milliards de tonnes de carbone) |
|---|---|
| Roches sédimentaires (calcaires, schistes) | des dizaines de millions |
| Océans (carbone dissous) | environ 38 000 |
| Combustibles fossiles | plusieurs milliers |
| Sols | environ 1 500 à 2 400 |
| Atmosphère | environ 870 à 900 (en hausse) |
| Végétation | environ 450 à 650 |
Les principaux échanges :
- la photosynthèse des plantes et du phytoplancton capte le CO₂ de l’air pour fabriquer de la matière organique ;
- la respiration des êtres vivants et la décomposition le rejettent ;
- les océans dissolvent et relâchent du CO₂ ; une partie finit dans les coquilles et les sédiments calcaires ;
- le volcanisme restitue lentement du carbone enfoui dans les roches.
Depuis la révolution industrielle, la combustion des énergies fossiles et la déforestation injectent dans l’atmosphère du carbone stocké depuis des millions d’années. La concentration de CO₂ dans l’air est passée d’environ 280 ppm avant 1850 à plus de 420 ppm aujourd’hui : c’est le moteur principal du réchauffement climatique (voir effet de serre). Environ un quart des émissions humaines est absorbé par les océans, ce qui les acidifie.
Les usages industriels
- Acier : le fer additionné d’un peu de carbone (moins de 2 %) devient de l’acier, beaucoup plus dur (voir métaux).
- Coke : charbon purifié utilisé dans les hauts-fourneaux pour réduire le minerai de fer.
- Fibres de carbone : très légères et résistantes, pour l’aéronautique, les vélos et les articles de sport.
- Charbon actif : très poreux, il filtre l’eau et l’air en retenant les impuretés.
- Électrodes de graphite : fours électriques, électrolyse de l’aluminium, batteries.
Questions fréquentes
Le diamant et le graphite sont-ils vraiment la même chose ?
Oui chimiquement : ils sont faits uniquement d’atomes de carbone. Seul l’agencement des atomes diffère, ce qui leur donne des propriétés opposées.
Pourquoi dit-on que la vie est « à base de carbone » ?
Parce que les molécules du vivant (protéines, sucres, lipides, ADN) sont construites sur des squelettes d’atomes de carbone, le seul élément capable de former une telle variété de chaînes stables.
Un diamant est-il éternel ?
À température ambiante, le diamant est métastable : il devrait en théorie se transformer en graphite, mais la transformation est si lente qu’elle ne se produit pas à notre échelle. Il brûle en revanche dans l’air vers 700 à 900 °C.
Qu’est-ce que l’empreinte carbone ?
C’est la quantité de gaz à effet de serre émise par une activité, un produit ou une personne, exprimée en équivalent CO₂.