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Il porteporte le numéro atomique Z = 6. La configuration électronique du carbone est donc 1s2 2s2 2p2. Ceci implique que quatre électrons non appariés peuvent créer des liaisons : le carbone est tétravalent.
Les liaisons du carbone
Les quatre liaisons du carbone peuvent être orientées selon quatre directions différentes avec un angle de 109°28', ou selon trois directions, ce qui implique deux liaisons simples et une liaison double. Le carbone trigonal est plan, et les angles entre liaisons sont de 120°. Mais encore les quatre liaisons peuvent être orientées selon deux directions seulement et il y a alors deux possibilités :
- deux doubles liaisons, exemples le dioxyde de carbonedioxyde de carbone (O=C=O), les isocyanates (O=C=N-), les allènes (R=C=R') ;
- une simple et une triple liaison, comme le cyanure d'hydrogène (HCN) et les alcynesalcynes (RCCR').
La teneur moyenne de l'écorce terrestre est de 0,2 % environ, et il est natif sous forme de graphitegraphite et de diamantdiamant. Sinon il est combiné à l'hydrogène et l'oxygèneoxygène et autres éléments dans les charbonscharbons, les hydrocarbureshydrocarbures (pétrolepétrole, gaz naturelgaz naturel), les carbonates (calcairecalcaire, dolomiedolomie), le dioxyde de carbone (dans l'eau, l'atmosphèreatmosphère).
Le charbon
C'est une roche renfermant suffisamment de carbone pour être utilisable comme combustiblecombustible et formée par fossilisationfossilisation de végétaux, à l'abri de l'airair, dans des bassins sédimentairesbassins sédimentaires. La teneur en carbone des charbons est d'autant plus grande qu'ils sont plus anciens. On distingue les charbons d'une part par leur teneur en carbone et d'autre part par leur pouvoir calorifiquepouvoir calorifique (quantité de chaleurchaleur en millithermie dégagée par 1 kgkg de charbon).
Classification d'après la teneur en carbone :
- la tourbe quaternairequaternaire : 50 à 68 % de C, 30 % de O2, 6 % de H2, marais ;
- le lignitelignite tertiaire : 55 à 75 % de C, 25 % de O2, 5 % de H2 ;
- la houillehouille primaire : 74 à 96 % C dont l'anthracite (C de 90 à 96 %), recherché mais peu abondant et utilisé pour le chauffage domestique, le charbon à coke, utilisé pour produire le coke métallurgiquecoke métallurgique et le charbon vapeur utilisé pour les chaudières industrielles qui est le plus abondant.
Le diamant
Lire notre dossier sur le diamant.
Le graphite
Voir la page 3 du présent dossier.
Le noir animal
Il est obtenu par calcination des os en vase clos et est utilisé, par exemple, dans le raffinageraffinage du sucresucre.
Le charbon de bois
Il peut contenir 93 % de C, de l'hydrogène et 3 % de cendres (carbonates de sodiumsodium et potassiumpotassium). Il est purifié par des lavages acidesacides et sert de combustible ou de charbon actif pour son pouvoir adsorbant.
Le pyrocarbone
Il est préparé par craquage d'hydrocarbures vers 1.450 °C. Il est hémocompatible, le sang ne coagule pas à son contact et entre dans la fabrication de valves cardiaques mécaniques (85.000 valves mécaniques/an dans le monde) et de prothèsesprothèses de doigts.
Le charbon actif
Fabrication à partir de boisbois, coques de noix de coco, noyaux d'olives et aussi houille, tourbe, lignite, pâte de bois et de résidus pétroliers. Son pouvoir adsorbant est augmenté en éliminant les goudrons :
- par de la vapeur d'eau à 900-1.000 °C (activation physiquephysique) et donne un charbon à pores étroits ;
- par de l'acide phosphorique à 400-500 °C (activation chimique) et donne des pores plus larges.
Le diamètre des pores dépend également de la matièrematière première utilisée. Les coques de noix de coconoix de coco donnent des micropores (50 nm). Un gramme de charbon actif a une surface comprise entre 400 et 2.500 m2. Pour l'adsorptionadsorption des impuretés gazeuses, les pores ont de 1 à 2 nm ; pour la fixation des impuretés dans les liquidesliquides, de 2 à 10 nm. Le charbon est soit en poudre, soit en grains.
Il est utilisé pour le traitement de l'eau (20 % du marché mondial), le traitement du sucre (décoloration), la décaféination du café, les véhicules automobilesautomobiles (canistercanister), la récupération de solvantssolvants, les masques à gazmasques à gaz, certains filtres de cigarettes, pour détacher des vins blancs.
Le coke
Il est obtenu après élimination des composés volatils du charbon par distillationdistillation en vase clos dans des fours immenses installés en batteries et dont le fonctionnement ne peut être interrompu. La cokéfaction dure de 15 à 20 heures à 1.100-1.400 °C. Le coke est refroidi par aspersion à l'eau ou sous une atmosphère de gaz inerte.
Une tonne de houille donne 750 kg de coke de composition du coke approximative : carbone : 88 %, cendres : 9 %, eau : 1,7 %, azoteazote : 1,3 %.
Essentiellement utilisé en sidérurgie lire notre dossier « Le fer tombe le masque ».
Le noir de carbone ou carbon black
Il est constitué de carbone (98 à 99,7 %) présent sous forme de particules sphériques (de 10 à 500 nm) agrégées. Sa surface spécifique est comprise entre 10 et 300 m2/g. Produit en Chine par combustioncombustion incomplète dans des lampes à huile (c'est le noir de fumée), il fournit le pigmentpigment noir de l'encre de Chine, et c'est en 1912, qu'il montra fortuitement ses qualités exceptionnelles de renforcement des pneumatiquespneumatiques en caoutchouccaoutchouc.
Le pneu le plus gros du monde, le Michelin 59/80R63. Ce pneu équipe les tombereaux d'excavation minière en Australie. Il pèse cinq tonnes et mesure quatre mètres de diamètre pour 1,48 mètre de largeur. Ils sont gonflés à 6,5 barsbars de pressionpression. Ce pneu équipe le tombereau géant Caterpillar 797B. (Source www.pneumatique.org)
Produite par combustion incomplète de résidus pétroliers lourds selon le procédé Oil Furnace Black, la réaction a lieu dans un four en présence d'un excès d'air, à plus de 1.500 °C pendant un temps très court. Les gaz sont refroidis rapidement puis le noir de carbone est récupéré par filtrationfiltration.
Utilisations : 70 % de sa production est destinée aux caoutchoucs surtout aux pneus : 1 pneu de 7 kg contient 3 kg de noir de carbone qui lui apporte sa résistancerésistance à l'usure, encore du carbone de tous les jours !
Les encres liquides pour journaux contiennent près de 10 % de leur massemasse de noir. Les encres pour offset de 20 à 30 %.
Le noir de carbone assure, (1 à 3 %), la protection des plastiquesplastiques et élastomèresélastomères contre les UVUV des gaines électriques, canalisationscanalisations...
