Carbone. Caractéristiques, propriétés et application

Le carbone est un élément chimique, un non-métal. Ses propriétés dépendent de la variété dans laquelle il se trouve. Il occupe la quatrième place parmi les éléments présents dans l'univers, après l'oxygène, l'hydrogène et l'hélium. Il est présent dans chaque organisme vivant. Dans le corps humain, après l'oxygène, c'est l'élément le plus abondant en termes de masse. Cette quantité, combinée à la variété des composés organiques, fait du carbone la base de la vie.

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1. Qu'est-ce que le charbon?

Carbone - C (latin carboneum) est un élément chimique non métallique avec un numéro atomique de 6. Dans le tableau périodique des éléments, il se trouve dans le bloc p, dans le groupe 14 (IVA). Il a 4 électrons de valence. Il existe 3 isotopes naturels du carbone. 12C et 13C sont stables tandis que l'isotope 14C est radioactif. Sa demi-vie est d'environ 5700 ans.

Il était connu comme l'un des rares éléments de la préhistoire. Le charbon fossile est utilisé comme combustible depuis le IXe siècle. Dans les temps anciens, le graphite et le diamant étaient également connus, mais on ne se rendait pas compte alors qu'il s'agissait de types allotropes de carbone (plus à ce sujet plus loin dans le texte).

En 1773, le physicien français Antoine Lavoisier brûle un diamant dans l'oxygène et obtient du dioxyde de carbone. En 1779, l'apothicaire chimiste germano-suédois Carl Scheele déclara la même chose pour le graphite. Le nom polonais a été proposé pour la première fois par le chimiste polonais Filip Neriusz Walter.

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2. Variétés allotropes de charbon

Le carbone est disponible dans les variétés allotropes suivantes:

  • fullerène;
  • Diamant;
  • graphite;
  • graphène;
  • cyclocarbone.

On distingue également les nanobulles et les nanotubes, qui ne sont pas entièrement des allotropes de carbone - ce sont plutôt des noms de structures supramoléculaires. Selon des rapports non confirmés, on peut également parler de l'existence de carabines et de chaînes linéaires.

3. Propriétés chimiques du charbon

Le carbone est un élément divalent et tétravalent aux états d'oxydation +2, +4 et -4. Cet élément est chimiquement inactif, il n'est pas soluble dans l'eau, les bases et les acides. A une température d'environ 20°C il ne réagit qu'avec le fluor.

Lorsqu'il est chauffé, le carbone réagit avec le soufre et l'oxygène et, à des températures très élevées, il se combine directement avec l'hydrogène et de nombreux atomes pour former ce qu'on appelle des carbures.

Les atomes de carbone ont la capacité de se lier les uns aux autres, grâce à quoi il existe un très grand nombre de composés carbonés, en cycle et en chaîne, ramifiés et droits. Outre le carbone, ces composés comprennent l'azote, l'oxygène, le soufre et les halogènes.

L'un des types allotropiques de carbone - le diamant est une substance à faible activité, même à haute température. Il brûle lentement dans l'air (plus de 800°C), tandis que dans l'oxygène pur il brûle plus rapidement. Ni les acides ni les bases ne fonctionnent sur un diamant.

Une autre forme allotropique de carbone-graphite est une substance avec également une faible activité, mais elle réagit plus facilement que le diamant. Dans l'air, le graphite brûle à une température d'environ 700°C. Réagit avec le fluor en présence de fluorure d'hydrogène (HF) à des températures inférieures à 100 ° C, sans HF à des températures supérieures à 400 ° C.

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4. Propriétés physiques et application

Le carbone est un solide. Il se dissout dans le fer fondu ou dans certains autres métaux fondus, mais ne se dissout dans aucun solvant connu.

Le charbon ne fond pas, mais se sublime sous pression atmosphérique et à des températures très élevées supérieures à 3500 ° C. Comme nous l'avons déjà décrit, il se présente sous deux allotropes de base (diamant et graphite), différant par leur forme cristallographique. Le carbone amorphe (suie) est une forme cristalline fine de graphite.

4.1. diamant

A l'état pur, le diamant crée des structures transparentes et incolores. Il se caractérise par une dureté élevée (c'est le plus dur de tous les minéraux), il brise fortement la lumière et est un isolant (il ne conduit pas l'électricité).

Le diamant a une densité de 3,51 g/cm³. Dans le réseau spatial d'un diamant, tous les atomes de carbone sont entourés de 4 autres atomes, certains des centres de gravité sont définis par le tétraèdre régulier.

Chaque liaison chimique dans le réseau de diamant est une liaison covalente de longueur égale. Selon la quantité et le type d'impuretés, les cristaux de diamant peuvent être de couleur rouge, jaune, bleue, violette et brune.

Les diamants taillés sont des diamants, leur caractéristique est un merveilleux jeu de lumière. Un diamant qui convient à des fins de joaillerie est assez rare. Tout d'abord, l'extraction de diamants est utilisée à des fins techniques.

Il est utilisé pour rectifier des corps extrêmement durs, fabriquer des lames de foreuses minières, couper du verre et créer des roulements dans des instruments de précision.

Le chauffage du diamant en l'absence d'air à une température supérieure à 1500 ° C conduit à la production de graphite. Inverser cette réaction et convertir le graphite en diamant est une opération difficile.

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4.2. Graphite

La deuxième forme allotropique de base du carbone est le graphite, également présent en tant que minéral. Il est noir et gris, il est gras et doux au toucher. Il a un faible lustre métallique, conduit bien la chaleur et l'électricité et a une densité de 2,1 à 2,3 g / cm³.

Le réseau spatial de ce minéral est constitué de couches parallèles dans lesquelles les atomes de carbone ont un numéro de coordination de 3. Les liaisons atomiques fortes n'ont lieu qu'entre les atomes de carbone de la couche, et entre les couches, ces liaisons sont plus faibles.

Des additifs de graphite et d'argile fine en tant qu'agent liant sont utilisés dans la production de creusets de fusion de métaux. Puisque le graphite conduit bien l'électricité, il est utilisé pour fabriquer des électrodes pour les industries électro-métallurgique et chimique.

Il est également utilisé pour la production de crayons, le graphite sous forme de suspension dans l'huile de machine est utilisé comme lubrifiant pour les mécanismes fonctionnant à haute température ou comme modérateur dans les empilements atomiques.

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4.3. Carbone amorphe

Le carbone amorphe est produit par la décomposition thermique de nombreuses substances organiques. Les propriétés de ce type de charbon (coke, suie, charbon de bois et charbon osseux) dépendent largement du produit de départ et de la température à laquelle la décomposition a été effectuée.

Nous obtenons du coke dans le processus de distillation à sec (chauffage sans oxygène) de houille à une température de 1000 - 1200 ° C. Il est principalement utilisé comme carburant, ainsi que dans la synthèse de composés organiques à l'échelle industrielle.

Le noir de carbone est le produit de la décomposition thermique de nombreux hydrocarbures et de la combustion incomplète de diverses substances organiques. Il est utilisé pour la production d'encre, de peintures et de peintures d'impression et pour le remplissage de caoutchouc.

Nous obtenons du charbon de bois comme produit de la distillation sèche mentionnée ci-dessus. Il a de bonnes propriétés d'adsorption.

Grâce à la carbonisation du charbon aux températures les plus basses possibles avec l'ajout de ZnCl2, nous obtenons du charbon actif avec une surface bien développée. Il est utilisé pour absorber des gaz ou des substances dissoutes dans des solutions (décoloration des solvants et préparations, séchage des gaz, purification de l'air des vapeurs). Il peut également être utilisé comme support de catalyseur en synthèse organique.

Mots Clés:  Grossesse Accouchement Enfant D'Âge Préscolaire