Carbòni

Lo carbòni es un element quimic de simbòl C e de numèro atomic 6. Element pus leugier de la 14^a colona de la taula periodica, es capable d'establir quatre liasons quimicas amb d'autreis atòms. Aquò es a la basa de la quimia organica qu'es mai que mai la quimia de moleculas dotadas d'una esquelèta de carbòni. Es tanben a la basa dau cicle dau carbòni terrèstre. Lo carbòni es ansin un element fondamentau per lei mecanismes dau vivent.

Lo carbòni es un element abondós dins l'Univèrs car es format dins leis estèlas aguent una massa iniciala superiora a cinc massas solaras. Sus Tèrra, es principalament present sota forma de còrs simple (carbon, grafit e diamant), de còrs organics (biomassa e idrocarburs) e de còrs mineraus (dioxid de carbòni, ions carbonats e bicarbonats, etc.). Tres isotòps principaus son presents sus la planeta. Lei carbòni-12 e 13 son estables e compausan la totalitat deis atòms quantifiables. Lo carbòni-14 es radioactiu e fòrça rar. Pasmens, son activitat es mesurabla, fenomèn utilizat per datar de vestigis arqueologics e paleontologics.

Istòria

Lo nom « carbòni » vèn dau latin carbo, carbonis que designava lo carbon. Lo liame entre lei doas substàncias es conegut dempuei l'Antiquitat. Lo carbòni a una plaça importanta dins l'istòria de la quimia. La nocion d'element quimic apareguèt quand René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) estudièt la formacion d'acier a partir de fèrre. Constatèt qu'aquela transformacion correspondiá a l'absorpcion d'un element per lo fèrre^[1]. En 1772, Antoine Lavoisier (1743-1794) estudièt la combustion de carbon e de diamants. Notèt la formacion de dioxid de carbòni e l'abséncia d'aiga a la fin de la reaccion. Demostrèt ansin qu'aquelei materiaus èran unicament compausats de carbòni. Sèt ans pus tard, aquela descubèrta foguèt completada per l'establiment de la composicion carbonada dau grafit per lo quimista suedés Carl Wilhelm Scheele (1742-1786)^[2].

Après aqueu periòde, lo carbòni foguèt associat a plusors descubèrtas importantas. En 1828, la sintèsi de l'urèa realizada per Friedrich Wöhler (1800-1882) entraïnèt la fondacion de la quimia organica modèrna. Centrada sus l'estudi de compausats principalament formats de carbòni, d'idrogèn, d'oxigèn e d'azòt, es una branca de la quimia que s'interèssa fòrça ai proprietats de l'atòm de carbòni. En 1842, lo carbòni apareguèt tanben dins lei trabalhs fondators de la sciéncia dei materiaus modèrnes. D'efiech, aquelei recèrcas, menadas per August Wöhler (1819-1914) èran destinadas a preveire lo vielhiment de pèças d'acier utilizadas per de trens ò de ralhs.

Pus recentament, la descubèrta dei fullerèns per Robert Curl (1933-2022), Harold Kroto (1939-2016) e Richard Smalley (1943-2005) marquèt una autra etapa importanta per la quimia. D'efiech, aquela familha de compausats es constituïda d'estructuras geometricas de quauquei desenaus d'atòms de carbòni. Semblan d'aver de proprietats revolucionàrias dins lo domeni dei materiaus car presentan una resisténcia superiora ai materiaus classics per un pes pus feble.

Caracteristicas

Proprietats atomicas

L'atòm de carbòni a sièis electrons e son estat fondamentau es 1s² 2s² 2p². Son electronegativitat es moderada, 2,55 dins l'escala de Pauling^[3]. A donc puslèu tendància a establir quatre liasons covalentas simplas, doblas e de còps triplas amb d'autreis atòms per aquistar la configuracion electronica establa dau neon. Pasmens, aquela liason pòu aver un caractèr polar marcat quand es formada amb d'elements fòrça electronegatius. Aquò pòu facilitar la rompedura d'aquela liason e explica una partida dei proprietats dau carbòni en quimia organica.

Proprietats fisicoquimicas

Article detalhat: Allotropia dau carbòni.

Lo carbòni es present dins la natura sota doas formas allotropicas principalas : lo grafit e lo diamant. La premiera, de color grisa, es un empielament d'estructuras cristallinas exagonalas e monoplanas. Es la forma establa dau carbòni dins lei condicions normalas de temperatura e de pression. La segonda, transparenta, a una estructura tetraedrica. Es la forma establa a temperatura auta e pression auta. Dins lei condicions ordinàrias, es metastabla, mai son evolucion vèrs lo grafit es fòrça lenta. Es donc relativament aisat de trobar de diamants a la superficia deis objèctes solids dau Sistèma Solar^[4].

Dins lei condicions normalas de temperatura e de pression, lo carbòni se presenta donc sota la forma de grafit. Es alora un solid diamagnetic que forma de fuelhs pauc compactes. Se desagrèga aisament quand lei fuelhs son bolegats, mai pòu resistir a de pressions importantas se son exercidas perpendicularament a l'aisse dei fuelhs. Aqueu caractèr anisotròp s'obsèrva tanben au nivèu de la conduccion electric e de la conduccion termica. Son relativament importantas dins l'aisse dei fuelhs mai feblas dins la direccion perpendiculara. Lo grafit a generalament una massa volumica situada entre 1,9 e 2,3 g.cm^-3 a 25 °C e se sublima a 3 652 °C. Lo carbon present dins la natura es generalament una mescla entre carbòni amòrf e grafit.

Lo diamant se presenta sota la forma d'un solid cubic e transparent que tèn una massa volumica pus importanta (3,517 g.cm^-3). Es un bòn conductor termic, mai au nivèu electric, es puslèu un isolant ò un semiconductor. A pas de caractèr anisotròp e se caracteriza per sa duretat qu'es la pus importanta de l'escala de Mohs. Sa temperatura de fusion es de 3 546,85 °C mai, en cas de caufatge important, va puslèu aver tendància a se transformar en grafit a partir de 700 °C^[5].

Occuréncia e isotòpia

Occuréncia

Lo carbòni es lo quatren element pus frequent dins l'Univèrs. D'efiech, es format per de reaccions de fusion nucleara que se debanan dins lo nuclèu deis estèlas aguent una massa d'au mens cinc massas solaras a sa formacion^[6]. Òr, aqueleis estèlas son pas raras. Per exemple, fòrça estèlas variablas de tipe Mira contènon de quantitats importantas de carbòni. Dins lo Sistèma Solar, lo carbòni es tanben un element abondós qu'es largament present dins l'atmosfèra dau Soleu e a la superficia deis autreis objèctes (planetas, asteroïdes, etc.).

Isotòpia

Article detalhat: Isotòps dau carbòni.

Lo carbòni a 15 isotòps coneguts que tènon un nombre de massa anant de 8 a 22^[7]^[8]. Pasmens, i a solament dos isotòps estables, lo carbòni-12 e lo carbòni-13, que son presents dins la natura. Lo carbòni-12 es largament majoritari amb una abondància egala a 98,93 %. Aguèt un ròtle important dins l'istòria de la quimia car foguèt lòngtemps la basa de la definicion dau nombre d'Avogadro. Lo carbòni-13 es pus rar (1,07 %), mai a un ròtle important en ressonància magnetica nucleara en permetent l'identificacion deis atòms de carbòni present dins una molecula organica.

Entre leis isotòps instables, lo pus conegut es lo carbòni-14 qu'es un isotòp radioactiu utilizat per la datacion d'objèctes ancians. A un periòde radioactiu de 5 730 ans e es donc pas present en quantitat importanta sus Tèrra, mai son activitat es aisament mesurabla. Lo carbòni-11 es un isotòp utilizat en medecina per realizar de tomografias d'emission de positrons^[9]. A un periòde radioactiu relativament brèu, leugierament superior a 20 mn. Totei leis autreis isotòps son fòrça instables e an de duradas de vida fòrça brèvas.

Quimia e proprietats dei compausats carbonats

Lei compausats carbonats

Leis atòms de carbòni pòdon se liar entre elei per formar de compausats carbonats de talha importanta. Lei pus coneguts son lo carbon, lo grafit e lo diamant. Pòdon participar a plusors reaccions quimicas. Per exemple, la reaccion entre lo carbòni e lo dioxigèn mena a la formacion de dioxid de carbòni e, quand es pas complèta, de monoxid de carbòni. Aquela reaccion, que correspònd a la combustion dau materiau carbonat, es fòrça importanta per leis organismes vivents. Ansin, s'obsèrva dins lo bilanç globau dau cicle de Krebs. Lei reaccions de combustion son egalament a la basa de plusors tecnologias actualas coma lo motor de combustion intèrna.

Dins aquò, en defòra dau carbon, dau grafit e dau diamant, i a d'autrei compausats a basa de carbòni que son l'objècte d'estudis e de recèrcas importantas. Lei pus importants son lei fullerèns e lei nanotubes de carbòni. Dins lei dos cas, son de formas cristallinas de carbòni que contènon una cavitat ò un cilindre vuege. Semblan d'aver de proprietats ineditas, especialament au nivèu de la resisténcia mecanica. I a ansin fòrça projèctes per assaiar de leis integrar dins de materiaus novèus que serián pus leugiers e pus resistents que lei materiaus tradicionaus.

Carbon
Grafit
Cristau de diamant
Nanotubes de carbòni
Estructura d'un fullerèn de 540 atòms de carbòni

Lo carbòni organic

Article detalhat: Quimia organica.

L'esquelèta dei moleculas organicas es constituïda d'atòms de carbòni liats entre elei per de liasons covalentas. Aqueleis atòms pòdon tanben formar de liasons simplas, doblas ò triplas amb d'atòms d'idrogèn, d'oxigèn, d'azòt, d'alogèn, de fosfòr, de sofre e de metaus. L'estudi e la sintèsi d'aquelei compausats es la basa de la quimia organica. Aquò a menat a la definicion de plusors familhas de substàncias organicas carbonadas. Per exemple, leis idrocarburs son compausats d'associacions de carbòni e d'idrogèn.

Lo carbòni inorganic e minerau

Article detalhat: Quimia inorganica.

Lo carbòni inorganic ò minerau es mai que mai liat au monoxid de carbòni e au dioxid de carbòni de l'atmosfèra terrèstra. D'efiech, aquelei compausats pòdon participar a la formacion d'espècias mineralas. Dins la màger part dei cas, aquò mena a la formacion de compausats integrant d'ions carbonats ò bicarbonats. La formacion e la disparicion d'aquelei substàncias fan generalament partida dau cicle dau carbòni terrèstre.

Lo cicle dau carbòni

Article detalhat: Cicle dau carbòni.

Lo cicle dau carbòni es lo cicle biogeoquimic dau carbòni d'una planeta. Es un ensemble de cambis entre plusors sèrvas fisicas coma l'atmosfèra ò la litosfèra. Pasmens, sus Tèrra, aqueu cicle es complexificat per l'existéncia d'una biosfèra compausada d'organismes principalament compausats de carbòni e d'una idrosfèra capabla de dissòudre de quantitats importantas de dioxid de carbòni. Lo cicle dau carbòni terrèstre es donc format de quatre sèrvas principalas que son l'atmosfèra, la biosfèra, l'idrosfèra e la litosfèra. Lei relacions entre aqueleis entitats son fòrça importantas car dictan la quantitat de dioxid de carbòni presenta dins l'atmosfèra. Òr, lei vegetaus dependon d'aqueu gas per trobar la matèria premiera permetent la fabricacion dei moleculas carbonadas necessàrias a son foncionament. L'intensitat de l'efiech de sèrra planetari es egalament en partida somesa a la concentracion dau dioxid de carbòni atmosferic.

Toxicitat

Lo carbòni pur a una toxicitat febla per leis umans. Sota forma de grafit e de carbon, sa manipulacion e son ingestion son possiblas sensa risc particular per la santat umana. Es de còps utilizat en medecina. En revènge, plusors compausats a basa de carbòni an una toxicitat importanta coma lo monoxid de carbòni CO^[10], lo disulfur de carbòni CS₂^[11] e l'ion cianur CN^-^[12]. D'estudis son en cors per determinar la toxicitat de certanei varietats allotropicas coma lei nanotubes de carbòni^[13].

Annèxas

Liames intèrnes

Bibliografia

(fr) Patrick Bernier e Serge Lefrant, Le carbone dans tous ses états, Taylor & Francis, 1997.
(fr) Gérard Borvon, Histoire du carbone et du CO2. De l’origine de la vie jusqu’au dérèglement climatique, Vuibert, 2013.

Nòtas e referéncias

↑ (fr) R.-A. Ferchault de Réaumur « L'art de convertir le fer forgé en acier, et l'art d'adoucir le fer fondu, ou de faire des ouvrages de fer fondu aussi finis que le fer forgé », 1722.
↑ (en) M. E. Weeks, « The discovery of elements. I. Elements known to the ancient world », Journal of Chemical Education,‎ vol 9, n° 1, 1932, pp. 4-10.
↑ (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 90^a edicion, 2009.
↑ Per exemple, de nanodiamants extraterrèstres son presents dins lo meteorit d'Orgulh. De modelizacions laissan tanben pensar a una importanta formacion de nanodiamants dins lei jaç bas dei planetas gigantas gassosas onte lei condicions de pression e de temperatura son favorablas.
↑ (en) P. John, N. Polwart, C. E. Troupe e J. I. B. Wilson, « The oxidation of (100) textured diamond », Diamond and Related Materials, vol. 11, n° 3-6, març-junh de 2002, pp. 861-866.
↑ (en) L. Girardi, A. Bressan, G. Bertelli e C. Chiosi, « Evolutionary tracks and isochrones for low- and intermediate-mass stars: From 0.15 to 7 Msun, and from Z=0.0004 to 0.03 », Astronomy and Astrophysics Supplement, vol. 141, 2000, pp. 371-383.
↑ (en) M. E. Wieser, « Atomic weights of the elements 2005 (IUPAC Technical Report) », Pure and Applied Chemistry, vol. 78, n° 11,‎ 2006, pp. 2051–2066.
↑ (en) G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon, « The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties », Nuclear Physics A, vol. 729,‎ 2003, pp. 3–128.
↑ (fr) J. C. Baron, Y. Samson, D. Comar, C. Crouzel, P. Deniker e Y. Agid, « Étude in vivo des récepteurs sérotoninergiques centraux chez l'homme par tomographie à positrons », Revue neurologique, vol. 141, n° 8-9,‎ 1985, pp. 537-554.
↑ (fr) « Monoxyde de carbone - Fiche toxicologique n° 47 », INRS, abriu de 2021.
↑ (fr) « Disulfure de carbone - Fiche toxicologique n° 12 », INRS, 2013.
↑ (fr) « Cyanure de sodium, Cyanure de potassium - Fiche toxicologique n° 111 », INRS, setembre de 2022.
↑ (fr) Myriam Ricaud, Dominique Lafon e Frédérique Roos, « Les nanotubes de carbone : quels risques, quelle prévention ? », Hygiène et sécurité du travail, n° 210, març de 2008.

[1] (fr) R.-A. Ferchault de Réaumur « L'art de convertir le fer forgé en acier, et l'art d'adoucir le fer fondu, ou de faire des ouvrages de fer fondu aussi finis que le fer forgé », 1722.

[2] (en) M. E. Weeks, « The discovery of elements. I. Elements known to the ancient world », Journal of Chemical Education,‎ vol 9, n° 1, 1932, pp. 4-10.

[3] (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 90^a edicion, 2009.

[4] Per exemple, de nanodiamants extraterrèstres son presents dins lo meteorit d'Orgulh. De modelizacions laissan tanben pensar a una importanta formacion de nanodiamants dins lei jaç bas dei planetas gigantas gassosas onte lei condicions de pression e de temperatura son favorablas.

[5] (en) P. John, N. Polwart, C. E. Troupe e J. I. B. Wilson, « The oxidation of (100) textured diamond », Diamond and Related Materials, vol. 11, n° 3-6, març-junh de 2002, pp. 861-866.

[6] (en) L. Girardi, A. Bressan, G. Bertelli e C. Chiosi, « Evolutionary tracks and isochrones for low- and intermediate-mass stars: From 0.15 to 7 Msun, and from Z=0.0004 to 0.03 », Astronomy and Astrophysics Supplement, vol. 141, 2000, pp. 371-383.

[7] (en) M. E. Wieser, « Atomic weights of the elements 2005 (IUPAC Technical Report) », Pure and Applied Chemistry, vol. 78, n° 11,‎ 2006, pp. 2051–2066.

[8] (en) G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon, « The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties », Nuclear Physics A, vol. 729,‎ 2003, pp. 3–128.

[9] (fr) J. C. Baron, Y. Samson, D. Comar, C. Crouzel, P. Deniker e Y. Agid, « Étude in vivo des récepteurs sérotoninergiques centraux chez l'homme par tomographie à positrons », Revue neurologique, vol. 141, n° 8-9,‎ 1985, pp. 537-554.

[10] (fr) « Monoxyde de carbone - Fiche toxicologique n° 47 », INRS, abriu de 2021.

[11] (fr) « Disulfure de carbone - Fiche toxicologique n° 12 », INRS, 2013.

[12] (fr) « Cyanure de sodium, Cyanure de potassium - Fiche toxicologique n° 111 », INRS, setembre de 2022.

[13] (fr) Myriam Ricaud, Dominique Lafon e Frédérique Roos, « Les nanotubes de carbone : quels risques, quelle prévention ? », Hygiène et sécurité du travail, n° 210, març de 2008.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]