Tfe

Old stuff/ecole_etude_fac_de_pau/licence_2/tic/carbone.tex~

\documentclass [12 pts, a4paper] {article}


\title {INTRODUCTION} \usepackage[T1]{fontenc}

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\author {tfe iban et finrod}
\date{cr�e le \today}

\begin{document}
\maketitle
\section{Carbone }
L'�l�ment et le corps simple
Le carbone est l'�l�ment chimique non m�tallique de symbole C et de num�ro atomique 6. Il est pr�sent dans de nombreux compos�s naturels: gaz carbonique de l'atmosph�re, roches calcaires, combustibles (gaz, p�trole, charbons min�raux). C'est de plus un constituant fondamental de la mati�re vivante. Par la photosynth�se, les plantes convertissent le gaz carbonique de l'air en hydrates de carbone, lesquels sont d�grad�s en gaz carbonique par les �tres vivants. Cette cha�ne ferm�e constitue le cycle du carbone. \\
Le carbone est le quatorzi�me des �l�ments de la surface de la Terre class�s par ordre d'abondance d�croissante. Il constitue environ 0,9 p.�100 en masse de la lithosph�re et de l'hydrosph�re r�unies. Certains �chantillons, graphite et diamant, existent � l'�tat naturel sous forme cristallis�e et dans un tr�s grand �tat de puret�. La grande majorit� des compos�s du carbone rel�vent de la chimie organique; seuls seront examin�s dans cet article des compos�s min�raux: oxydes et leurs d�riv�s, carbures m�talliques et compos�s d'insertion, compos�s azot�s             \\

\section {L'�l�ment et le corps simple}

\subsection {L'atome }
Il r�sulte de son num�ro atomique que le cort�ge �lectronique de l'atome de carbone correspond, dans son minimum d'�nergie, au symbolisme: 1s�2, 2s�2, 2p�2, c'est-�-dire que la couche la plus profonde des �lectrons (couche�K) est compl�te avec deux �lectrons et que quatre �lectrons sont sur la couche externe L. Deux de ces �lectrons occupent l'orbitale 2s�, les deux autres occupant chacun une orbitale diff�rente parmi les trois orbitales 2p disponibles. Le noyau contient toujours six protons mais le nombre de neutrons associ�s est variable: le carbone poss�de deux isotopes stables et cinq radio-isotopes. Seul le radio-isotope de nombre de masse 14 existe dans la couche superficielle de la Terre par suite, d'une part, de sa longue p�riode et, d'autre part, de sa formation dans l'atmosph�re par action de la composante neutronique du rayonnement cosmique sur l'azote. Cette r�action nucl�aire se traduit par le symbole: 147N (n�,�p�) 146C. Cet isotope radioactif du carbone a permis de d�terminer l'�ge de fossiles divers provenant de substances vivantes. Pour ce faire, on admet que l'intensit� du rayonnement cosmique est rest�e constante du moins pendant un temps �gal � plusieurs p�riodes t de cet isotope (t�=�5�700 ans); on admet encore que les �tres vivants ne r�alisent pas une fixation pr�f�rentielle de certains isotopes du carbone au cours de leur m�tabolisme; aussi la concentration en radiocarbone devrait-elle se retrouver constante au cours des �ges chez tous les �tres vivants. Cette concentration en radiocarbone ne peut se maintenir que si les �changes gr�ce au m�tabolisme avec le gaz carbonique de l'atmosph�re ou toute autre source de carbone se poursuivent. Apr�s la mort de l'animal ou de la plante, la teneur en radiocarbone diminue suivant la loi de d�sint�gration radioactive du carbone 14. La radioactivit� de l'isotope 14 du carbone correspond � la transmutation:       Les caract�ristiques fondamentales de l'atome entra�nent un rayon atomique faible et un potentiel de premi�re ionisation moyennement �lev� Il r�sulte des caract�ristiques du cort�ge �lectronique que l'atome de carbone est un peu moins facilement ionisable que l'atome d'un quelconque des �l�ments de la m�me colonne de la classification p�riodique (silicium, germanium, �tain et plomb) et que cet atome est plus petit que ceux des autres �l�ments de cette colonne.\\
\subsection {Vari�t�s allotropiques}
� c�t� des deux formes cristallines, graphite et diamant, le carbone existe sous diff�rentes formes amorphes qui peuvent �tre assez impures. Les propri�t�s physiques varient beaucoup selon la vari�t� consid�r�e. Leurs propri�t�s chimiques, les compos�s d'insertion du graphite mis � part, sont les m�mes avec seulement des diff�rences parfois notables de vitesse de r�action.
\subsection {Diamant}
Le diamant est une forme cristalline m�tastable � la temp�rature ordinaire, ce qui lui permet de se conserver sans la moindre transformation. Son domaine de stabilit� correspond aux fortes pressions, le graphite �tant la forme stable aux pressions ordinaires ou moyennes. Les �tudes sur les domaines d'�quilibre thermodynamique du carbone sont tr�s difficiles par suite, d'une part, des lenteurs de certaines transformations et, d'autre part, des temp�ratures et pressions extr�mement �lev�es qu'elles n�cessitent. Chauff� � l'abri de l'air � une temp�rature sup�rieure � 1�000�0C le diamant se recouvre d'une couche de graphite.\\
Les diamants se trouvent � l'�tat naturel dans les roches �ruptives ultra-basiques (c'est le cas des diamants inclus dans la kimberlite d'Afrique du Sud); on les trouve plus souvent dans des formations alluvionnaires; on en rencontre aussi dans quelques m�t�orites.On s'est pr�occup� depuis longtemps d'en r�aliser la synth�se, essentiellement en traitant du carbone � une temp�rature suffisante et sous forte pression. Moissan, � la fin du si�cle dernier, quelques autres chimistes, depuis lors, ont pens� avoir fabriqu� ainsi des diamants; mais les moyens manquaient alors de caract�riser la nature exacte de solides tr�s durs et obtenus en tr�s petites quantit�s. C'est en 1955 que la General Electric Company r�alisa des diamants indiscutables par chauffage de carbone pendant plusieurs heures � 2�300�K sous une pression sup�rieure � 100�000 atmosph�res et, depuis lors, on produit industriellement une certaine quantit� de diamant. Les dimensions des cristaux synth�tiques, qui restent g�n�ralement tr�s petits, peuvent atteindre le millim�tre. Leur teinte est souvent noire mais il est possible d'obtenir des cristaux plus clairs; on a m�me fabriqu� des cristaux transparents en utilisant des temp�ratures encore plus �lev�es.Le diamant tr�s pur est incolore et tr�s dur, et son indice de r�fraction est tr�s �lev�, le plus �lev� des indices connus, soit n�D�=�2,42. Cet indice varie beaucoup avec la longueur d'onde, ce qui explique les feux et jeux de lumi�re remarquables que produit cette substance lorsqu'elle est judicieusement taill�e. Les vari�t�s tr�s transparentes et tr�s peu color�es sont utilis�es en joaillerie, les vari�t�s noires ou sombres dans l'industrie.\\
\subsection {Graphite}
Le graphite est l'autre forme cristalline du carbone. Il en existe deux vari�t�s structurales. On le trouve dans la nature et les Anciens le connaissaient d�j�, mais on le confondait avec d'autres min�raux assez semblables � lui par leur aspect; c'est au XVIe�si�cle qu'on exploita syst�matiquement des mines de graphite en vue d'obtenir le produit permettant de r�aliser des crayons. Le graphite est tr�s largement r�pandu sur la surface du globe, mais il est souvent intimement m�l� � d'autres min�raux, ce qui emp�che de l'exploiter industriellement. Des gisements permettant d'obtenir un produit suffisamment pur sont exploit�s actuellement en Cor�e, au Mexique, en Autriche, � Madagascar, en Allemagne, au Sri Lanka et en divers autres pays.    Mais la formation de graphite peut �tre obtenue � partir de r�actions lib�rant du carbone et am�liorant la puret� et l'�tat cristallin du carbone d�j� form�. Une industrie s'est �tablie pour la production de graphite artificiel. La technique est toujours la m�me: on part de carbone non graphit� que l'on soumet � l'action d'une temp�rature �lev�e. Cette temp�rature, n�cessaire pour la graphitation, provoque l'�limination par vaporisation de la majeure partie des impuret�s; pour obtenir un produit tr�s pur, il faut cependant utiliser une mati�re premi�re tr�s pure et r�aliser une graphitation accompagn�e ou suivie d'une purification chimique. Ainsi, pour fabriquer des �lectrodes de graphite, on utilise comme mati�re premi�re du coke de p�trole, carbone de haute puret�. Apr�s pulv�risation, le coke est additionn� de brai. La p�te l�g�rement chauff�e est mise en forme puis soumise � une pr�cuisson � 900�0C. Les pi�ces sont ensuite graphit�es � une temp�rature voisine de 2�800�0C. Cette m�thode permet d'obtenir un graphite ne contenant que 0,02 � 0,03�p.�100 de cendres. Le graphite de qualit� nucl�aire contient moins de 10-5 p.�100 d'impuret�s. Les propri�t�s m�caniques du graphite artificiel microcristallin sont tr�s variables et d�pendent du proc�d� de fabrication. Mais de nombreux usages de ce produit s'expliquent par sa conductibilit� �lectrique �lev�e, son caract�re r�fractaire, sa faible duret� et les faibles valeurs des coefficients de frottement.
\subsection {Autres formes}
On obtient de nombreuses autres formes de carbone par d�composition thermique de substances carbon�es v�g�tales ou min�rales. La pyrolyse en phase vapeur produit des corps tr�s divis�s formant le groupe des noirs de carbone�. La pyrolyse des phases condens�es produit des carbones compacts appel�s cokes ou charbons. Les principales m�thodes de fabrication des noirs de carbone sont la combustion incompl�te et la d�composition thermique dans un four ou � l'arc �lectrique. Les noirs de carbone ne sont jamais constitu�s de carbone pur, ils contiennent toujours plusieurs �l�ments �trangers (essentiellement hydrog�ne et oxyg�ne). La teneur en oxyg�ne, qui peut �tre inf�rieure � 5 p.�100 pour certains, d�passe 10 p.�100 pour d'autres. Les noirs de carbone servent de pigments ou de charges (en particulier pour le caoutchouc des pneumatiques). En pyrolysant du m�thane et parfois d'autres hydrocarbures gazeux sur une paroi de graphite de forme appropri�e, on a pu obtenir des objets divers (tubes, plaquettes...) de carbone appel� pyrocarbone�. Ce pyrocarbone a un aspect feuillet� et une structure turbostratique, c'est-�-dire o� les plans d'hexagones d'atomes de carbone sont parall�les et sensiblement �quidistants entre eux mais n'ont aucune orientation respective les uns par rapport aux autres � la diff�rence de ce qui se produit dans le graphite.\\
Outre les noirs de carbone et les pyrocarbones, on conna�t encore une grande vari�t� de carbones que l'on classe en deux grandes cat�gories suivant que leur temp�rature maximale de traitement a �t� inf�rieure ou sup�rieure � 1�300-1�400�0C. Les carbones obtenus � des temp�ratures inf�rieures ne sont pas graphit�s et peuvent �tre plus ou moins durs. Formant un ensemble extr�mement h�t�rog�ne, ils sont d'une puret� tr�s variable et contiennent toujours de l'hydrog�ne. Certains sont tr�s poreux et utilis�s comme ��charbons actifs�� en raison des ph�nom�nes d'adsorption qu'ils permettent de r�aliser. Au-dessus de 1�300-1�400�0C commence le processus de graphitation. On distingue alors les carbones qui sont graphitables (carbones tendres) et ceux qui ne le sont pas (carbones durs). Le crit�re est que certains d'entre eux seulement sont transformables en graphite par un traitement thermique � des temp�ratures �gales ou inf�rieures � 3�000�0C.\\
Propri�t�s chimiques Le carbone r�agit avec un bon nombre de corps simples. � des temp�ratures ne d�passant pas 2�000�K, il s'unit � l'hydrog�ne pour donner du m�thane; � des temp�ratures sup�rieures, on trouve, dans les produits de la r�action, de l'ac�tyl�ne et des radicaux libres CH3r, CH2r, CHr et Hr � c�t� du m�thane.Le carbone r�agit au rouge avec le soufre pour donner du sulfure de carbone:La r�action avec l'oxyg�ne est particuli�rement importante car elle produit une partie de l'�nergie industrielle. On obtient souvent un m�lange de mono-�et de dioxyde de carbone; il semble que le monoxyde soit un produit primaire de la r�action. Dans le cas d'une combustion du carbone en pr�sence d'un exc�s d'oxyg�ne on peut obtenir uniquement du dioxyde: Dans le cas contraire o� une colonne de carbone au rouge est parcourue par un courant d'oxyg�ne on obtient essentiellement le monoxyde, car le dioxyde initialement form� est r�duit par le carbone au rouge selon la r�action:      Les impuret�s pr�sentes et l'�tat physique du carbone jouent un r�le sur sa facilit� d'oxydation. L'addition de nombreuses substances min�rales provoque une augmentation de la vitesse d'oxydation. Cette aptitude du carbone � s'unir � l'oxyg�ne en d�gageant une grande quantit� de chaleur lui conf�re des propri�t�s r�ductrices tr�s �nergiques. Elles ne se manifestent cependant qu'� une temp�rature suffisamment �lev�e. Tous les oxydes m�talliques peuvent �tre r�duits par le carbone. Aucun oxyde ne r�siste � l'action du carbone sous vide au-del� de 1�400�0C. Le dioxyde de carbone est r�duit au rouge par le carbone suivant la r�action inverse de celle de la dissociation du monoxyde. Le carbone au rouge r�duit la vapeur d'eau (cf. Oxydes�). Certains m�langes oxydants et certaines substances oxydantes agissent � temp�rature peu �lev�e surtout sur le carbone non graphit� (acide sulfurique bouillant, permanganate en milieu sulfurique...)\\
\subsection {Compos�s}
\subsubsection {Compos�s d'insertion}
La structure tr�s particuli�re du graphite (couches planes faiblement li�es les unes aux autres) rend possible l'insertion d'atomes �trangers entre ces couches. La structure rigide des carbones non graphitables rend difficile l'�cartement des plans d'hexagones d'atomes; dans les carbones graphitables, il existe une possibilit� d'insertion d'atomes entre ces plans; mais ceux-ci sont peu �tendus et ainsi l'influence des bords de feuillets y est plus importante que dans le graphite, ce qui conduit � des compos�s d'insertion de compositions vari�es. On se rapproche d'autant plus des valeurs d'insertion obtenues avec le graphite que le carbone graphitable a �t� chauff� � temp�rature plus �lev�e et se trouve plus graphit�.         Des compos�s d'insertion ont �t� obtenus avec le potassium, le c�sium, le fluor, le brome, des chlorures (parmi lesquels le chlorure ferrique a donn� un produit tr�s �tudi�), des oxydes, des sulfures, des acides concentr�s (sulfurique, nitrique). Avec le fluor, par exemple, on obtient des produits de formules CF ou C4F; avec le potassium C24K et C8K entre autres. Des produits d'oxydation particuliers du type insertion ont �t� obtenus avec des m�langes oxydants tels que le chlorate de potassium en pr�sence d'acide nitrique. Ces produits ont �t� appel�s acides ou oxydes graphitiques.\\
\subsubsection {Halog�nures}
Plusieurs compos�s binaires de fluor et de carbone sont connus: CF4, C2F6, C3F8... Ils sont gazeux � la temp�rature ordinaire et se forment surtout par chauffage au rouge du compos� d'insertion CF. La composition de ce dernier peut varier entre CF0,68 et CF0,99 et il est obtenu par action du fluor sur le graphite � 420-450�0C sous la pression atmosph�rique, les atomes de fluor formant une couche de part et d'autre de chaque couche de carbone. Il existe un autre compos� d'insertion, le compos� solide C4F dont la formule peut varier entre C4F et C3,6F et qui est obtenu par passage d'un m�lange de fluor et d'acide fluorhydrique sur le graphite � la temp�rature ordinaire. \\
\subsubsection {Oxydes}
Trois compos�s binaires du carbone et de l'oxyg�ne, de formules respectives C3O2, CO et CO2 sont connus. Seuls les deux derniers sont importants. Le sous-oxyde C3O2 est un liquide toxique. Il est obtenu soit par d�composition thermique sous pression r�duite de l'anhydride diac�tyltartrique ou de l'acide malonique en pr�sence d'anhydride phosphorique. Peu stable, il se polym�rise en un solide rouge. Il se comporte aussi comme un anhydride de l'acide malonique.\\
\subsubsection {Monoxyde}
Ce compos� est pr�par� en quantit�s consid�rables dans l'industrie, g�n�ralement en m�lange avec d'autres gaz, tout particuli�rement par combustion incompl�te du carbone (gaz � l'air) et par action de la vapeur d'eau sur le carbone au rouge selon la r�action.On a d�couvert que d'autres catalyseurs permettaient d'obtenir des m�langes d'hydrocarbures: la pression utilis�e peut atteindre dans certains cas plusieurs centaines d'atmosph�res. De telles r�actions ont eu certaines applications industrielles: synth�se de combustibles liquides surtout en Allemagne durant la derni�re guerre mondiale.Le terme final d�pend du catalyseur. Les catalyseurs au fer donnent une proportion �lev�e d'alc�nes.Mais la r�action, dans des conditions convenables, donne des produits oxyg�n�s (alcools, glycols, c�tones, etc.). De ces derni�res r�actions, la plus importante actuellement est la synth�se industrielle du m�thanol qui utilise des pressions de quelques centaines d'atmosph�res. Le produit obtenu est d'une puret� sup�rieure � 99 p. 100.\\
\subsection {Classification}
On distingue les carbonyles mono- et polynucl�aires. Les premiers ne contiennent qu'un seul atome de m�tal et toutes les mol�cules d'oxyde de carbone sont directement li�es � ce noyau par l'interm�diaire du carbone qui met en commun un doublet �lectronique; en premi�re approximation, la liaison entre le carbone et l'oxyg�ne reste triple. Si l'on excepte le vanadium hexacarbonyle qui est paramagn�tique, tous sont diamagn�tiques et, de plus, leur nombre atomique effectif de Sidgwick (nombre d'�lectrons entourant le noyau dans le carbonyle) est �gal au num�ro atomique d'un gaz rare: 36, 54 ou 86. Il en r�sulte que le num�ro atomique du m�tal doit �tre un nombre pair. Les carbonyles polynucl�aires  contiennent au contraire plusieurs atomes de m�tal qui peuvent �tre directement li�s par covalence, comme cela existe dans le dimangan�se d�cacarbonyle, mais aussi �tre reli�s par deux ou trois mol�cules d'oxyde de carbone, formant des ponts de radical carbonyle bivalent, comme on peut s'en assurer en d�duisant de l'�tude du spectre d'absorption dans l'infrarouge des fr�quences de vibration de C?O et C=O. Deux exemples sont donn�s � la figure 4(b et c). Le num�ro atomique du m�tal peut �tre impair. Ces compos�s sont diamagn�tiques, ce qui sugg�re une liaison entre les deux atomes m�talliques. Le rhodium et l'iridium donnent des carbonyles fortement polym�ris�s.\\
\subsection {Carbures m�talliques.}
Il n'existe pas de compos�s contenant le cation C4+ mais diff�rents compos�s solides cristallis�s qui sont des mol�cules g�antes dans lesquelles les liaisons ont un certain caract�re ionique. Outre les solides binaires qui peuvent �tre consid�r�s comme des compos�s d'insertion du graphite (cf. Compos�s d'insertion ), on en conna�t d'autres o� le carbone garnit les interstices d'un r�seau m�tallique, et aussi quelques carbures o� le carbone para�t li� � ses voisins par quatre liaisons analogues � celle que cet atome �tablit avec des atomes de carbone dans le diamant.\\
Le groupe important des carbures, o� une association discr�te de deux atomes de carbone paraissant constituer un ion.



\begin{center}
\textit{� 1998 Encyclop�dia Universalis France S.A. Tous droits de propri�t� intellectuelle et industrielle r�serv�s.}
\end{center}


\section {t}
\begin {table}
\begin{tabular}{|p{2cm}|p{3cm}|p{3cm}|p{3cm}|p{2cm}|}

\hline{}
\textbf{TYPES DE LIAISONS} & \textbf{IONIQUES} & \textbf{COVALENTES} & \textbf{METALLIQUES} & \textbf{VAN DER WALLS}\\
\hline{}
 & & & & \\
\hline{}
\textbf{Nature}  & attraction �lectrostatique entre des ions de charge diff�rente & mise en commun d'une paire d'�lectrons &  mise en commun d'�lectrons libres &  liaisons faibles entre atomes neutres \\
\hline{}
\textbf{Propri�t�s m�caniques} & liaison forte & liason forte & liaison variable & liaison faible \\
\hline{}
\textbf{Propri�t�s thermiques} & temps de fusion assez �lev�e & temps de fusion �lev�e & temps de fusion variable & Temps de fusion basse\\
\hline{}
\textbf{Propri�t�s Electriques }& isolants moyens &  isolants &  conducteurs & isolants\\
\hline{}
\textbf{Exemples} & halite Na CL & diamant C & Cuivre Cu & Graphite C\\
\hline{}
\end{tabular}
\caption{test} \label{1}
\end{table}

Voir le livre de tfe \cite{diamant},  celui de Ouba \cite{carbone} , celui de iban \cite{girondins} et celui de l'amateur de moutarde \cite{hihihi}.
\bibliography{mabiblio}
\bibliographystyle{plain}
\begin {figure}

 
\includegraphics{./images/diamant1.eps}



\end {figure} 




\end{document}