carbone (suite)

Corps simple

Le carbone existe sous forme de diamant à l’état cristallisé métastable. Les diamants se trouvent dans des roches éruptives ou des dépôts alluvionnaires. Ils sont souvent colorés et même noirs. Les variétés les plus recherchées sont transparentes, et le grand indice de réfraction explique l’éclat des « feux » donnés par un diamant taillé et éclairé de lumière blanche. Depuis quelques années, on sait réaliser de façon industrielle de petits diamants à partir de carbone de moindre valeur. En pratique, on opère en chauffant du carbone pendant plusieurs heures à 2 600 °C sous une pression supérieure à 100 000 atmosphères.

Le diamant est très dur, et les petits diamants, sans valeur suffisante comme gemme de bijouterie, sont utilisés pour leur dureté dans des meules ou pour des forages. La structure du diamant est telle qu’un atome est entouré de quatre autres, chaque atome étant le centre d’un tétraèdre régulier dont les sommets sont occupés par ses quatre plus proches voisins.

Le graphite est une autre forme cristalline du carbone, qui peut exister sous l’une ou l’autre de deux variétés, qui ont en commun d’être constituées par des plans parallèles d’atomes distribués en hexagones réguliers centrés, accolés les uns aux autres. Seule la succession des positions relatives de ces plans régulièrement espacés change selon la variété cristalline.

Le graphite, qui existe à l’état naturel, peut être obtenu à partir de carbone chauffé à une température supérieure à 2 800 °C. Les propriétés mécaniques du graphite artificiel dépendent de la technique de fabrication, mais de nombreux usages font appel à au moins une des qualités suivantes : bonne conductibilité électrique, caractère réfractaire élevé, faibles valeurs du coefficient de frottement.

En dehors du diamant et du graphite, on obtient de nombreux solides d’aspects physiques divers constitués de carbone souvent impur par décomposition thermique de substances carbonées végétales ou minérales. Des gaz carbonés peuvent aussi être pyrolyses et conduisent alors souvent à des solides pulvérulents appelés noirs de carbone. Cette pyrolyse peut se produire par passage au contact de solides très chauds ou par combustion incomplète. La pyrolyse de phases condensées de matières carbonées conduit généralement à des morceaux compacts appelés cokes ou charbons. Des solides de formes variées (tubes, plaquettes ou même fils) peuvent être fabriqués. On peut aussi obtenir des solides de grande surface, ce qui est le cas des « charbons actifs ».

Le carbone réagit avec un grand nombre de corps simples. Selon la température et les conditions opératoires, le carbone s’unit à l’hydrogène pour donner du méthane CH₄ et divers autres produits, parmi lesquels de l’acétylène C₂H₂. Au rouge, le carbone s’unit au soufre pour donner du sulfure de carbone CS₂. La combustion complète du carbone dans l’oxygène donne du gaz carbonique CO₂ ; la chaleur de formation d’une mole de ce corps est de 94 kilocalories. Cette chaleur est la base de la majeure partie de l’énergie utilisée actuellement Le dioxyde de carbone est réduit par le carbone en donnant du monoxyde :
CO₂ + C ⇄ 2CO.

Tous les oxydes métalliques peuvent être réduits par le carbone. Aucun ne résiste à l’action du carbone sous vide aux températures supérieures à 1 400 °C. Le carbone réduit la vapeur d’eau selon la réaction
C + H₂O → CO + H₂.
Le carbone réagit avec de nombreux métaux en donnant soit des solutions solides d’insertion, soit des composés définis appelés carbures.

Le graphite donne des produits spéciaux d’insertion, selon des proportions variées, avec des corps très divers, tels que le potassium, le fluor, le brome, l’acide nitrique, le chlorure ferrique. Avec certains mélanges oxydants, tels que le mélange de chlorate de potassium et d’acide nitrique, le graphite donne des produits oxydés conservant sa structure lamellaire et qu’on appelle oxydes graphitiques.

Principaux composés minéraux

Le carbone participe à la constitution d’une très grande variété de substances, mais la plupart d’entre elles ont été regroupées dans ce qu’on appelle la chimie organique. Les composés du carbone que l’on convient de classer en chimie minérale sont les halogénures, les oxydes, les carbonates, le sulfure de carbone, des composés azotés et les carbures métalliques.

On connaît plusieurs composés binaires de carbone et de fluor, tels CF₄, C₂F₆, C₃F₈, etc. Comme on l’a déjà vu, le graphite donne avec le fluor des produits d’insertion que l’on rattache aux formules CF et C₄F. Le tétrachlorure de carbone CCl₄ est obtenu par l’action du chlore sur le sulfure de carbone ou par chloration du méthane :
CS₂ + 3Cl₂ → CCl₄ + S₂Cl₂,
alors que le chlore est sans action sur le carbone. Le tétrachlorure de carbone est un liquide ininflammable ayant d’intéressantes propriétés comme solvant.

On connaît trois oxydes de carbone.

Le sous-oxyde C₃O₂ est un liquide toxique qui se polymérise en un solide rouge.

Le monoxyde de carbone CO est produit dans de nombreux mélanges gazeux industriels. Son point d’ébullition est de – 190 °C. Il est stable aux températures élevées et se dissocie aux températures moyennes, entre 700 et 1 100 °C, selon la réaction
2CO ⇄ CO₂ + C.
À la température ordinaire, le monoxyde est à l’état métastable. C’est un corps réducteur qui donne une réaction exothermique avec l’oxygène
2CO + O₂ → 2CO₂.
Dans certaines conditions de température, de pression et de composition du mélange, la réaction peut se faire avec explosion.

Avec le chlore, on a une réaction CO + Cl₂ → COCl₂ qui fournit le chlorure de carbonyle, ou phosgène.

Le monoxyde de carbone donne avec certains métaux des composés d’addition, les métaux carbonyles. Tel est le cas des composés Ni(CO)₄, Fe(CO)₅, Co₂(CO)₈, etc. Ces métaux carbonyles, peu stables, se décomposent souvent sous l’effet d’une élévation de température. Ce sont des corps très réactifs et, en particulier, ils réagissent souvent avec les halogènes, l’eau, les acides et les bases.

L’addition facile de l’oxyde de carbone à l’oxygène explique la réduction de nombreux oxydes. Dans le cas des oxydes du fer, la réduction de l’oxyde ferrique est pratiquement irréversible :
3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂.

Puis, selon les circonstances, l’oxyde magnétique Fe₃O₄ peut être réduit soit en passant par l’étape d’une formation de monoxyde FeO, soit directement en fer.