Karbon

12 C og 13 C som er stabile;
14 C som er radioaktiv med en halveringstid på 5730 år, noe som gjør det mulig å datere elementer som bruker karbon for deres struktur.

Karbon er det letteste elementet i gruppe 14 i det periodiske systemet . Den eneste karbonlegemet har flere allotrope former , hovedsakelig grafitt og diamant . Elementet karbon danner forskjellige uorganiske forbindelser som karbondioksid CO 2og et bredt utvalg av organiske forbindelser og polymerer . Det er den grunnleggende byggesteinen i alle kjente livsformer.

Carbon er den 4 th element mest tallrike i universet og 15 th mest av i jordskorpen . Den er tilstede på jorden som en enkel kropp ( kull og diamanter ), uorganiske forbindelser (CO 2) og organiske forbindelser ( biomasse , olje og naturgass ). Mange karbonbaserte strukturer har også blitt syntetisert: aktivt karbon , kullsvart , fibre , nanorør , fullerener og grafen .

Forbrenningen av karbon i alle dets former har vært grunnlaget for teknologisk utvikling siden forhistorisk tid. Karbon-baserte materialer har anvendelser i mange andre områder: komposittmaterialer , litiumbatterier , luft og vannforurensning , elektroder for lysbueovner eller syntesen av aluminium , etc.

Historie og etymologi

Navnet karbon kommer fra latin carbo , carbōnis ( "kull" ). Produksjonen av karbon i form av trekull ved pyrolyse av tre under et jordlag var også kjent for romerne. Karbon i sin diamantform har vært kjent siden antikken i Asia, det er også nevnt i Det gamle testamentet. Navnet kommer også fra de romerske adámasene, adámantis ("hardt stål").

Begrepet karbonelement dukker opp når René Antoine Ferchault de Réaumur studerer dannelsen av stål fra jern , han bemerker at denne transformasjonen tilsvarer absorpsjonen av et element av jern. I 1772 studerte Antoine Lavoisier deretter forbrenning av kull og diamanter, han observerte den kvantitative dannelsen av karbondioksid, men oppdaget ikke dannelsen av vann. Han beviser således at disse to materialene er dannet utelukkende av karbon.

Naturlig grafitt har vært kjent siden antikken, men dens natur ble ikke forstått da den ble forvekslet med molybdenitt og antatt å være en form for bly . I 1779 demonstrerte Carl Wilhelm Scheele også ved oksidasjon av grafitt at den hovedsakelig var sammensatt av karbon. I 1787 skrev den kjemiske nomenklaturen til Louis-Bernard Guyton de Morveau en artikkel som definerte karbon som den rene formen for karbon.

Navnet "carbon" vises i ordlisten av det franske akademiet på sitt 6 th edition (1832-5). Den XIX th -tallet er fremveksten av karbon til energiproduksjon. I 1865 publiserte Antoine César Becquerel for eksempel karboninnholdet i de viktigste formene av ved som ble kjøpt den gangen i Paris:

1 kubikkmeter løvtre ( eik , alm , hornbjelke , bøk og ask ): 140 kilo;
1 kubikkmeter hvitt tre ( bjørk , osp , poppel og bartre ): 87 kilo;
1 kubikkmeter tre med bunter og cotrets : 122 kilo.

Historikken er da preget av den økte betydningen av karbon, for eksempel:

1828: oppdagelse av organiske forbindelser og organisk kjemi (se artikkel Friedrich Wöhler );
1842: med motstand av materialer , august Wöhler legger grunnlaget for fremtiden " vitenskapen om materialer ";
1985: oppdagelse av fullerener av Robert Curl , Harold Kroto og Richard Smalley ;
2004: oppdagelse av grafen av Andre Geim , sammensatt av et enkelt lag grafitt .

Element

Opplæring

Karbonelementet kommer ikke direkte fra Big Bang ( primordial nucleosynthesis ), fordi betingelsene for dets dannelse ikke ble oppfylt (utvidelse og nedkjøling av universet var for rask). Kull blir derimot produsert massivt i hjertet av veldig massive stjerner , kjent som den horisontale grenen , der tre heliumkjerner smelter sammen ( trippel alfa-reaksjon ).

Karbon har vært til stede på jorden siden dannelsen. Den eksisterer i form av sediment, kull , petroleum , og også i sin rene grafitt , diamantform . Naturlige diamanter som finnes i kimberlitt i skorsteiner fra eldgamle vulkaner, spesielt i Sør-Afrika og Arkansas . Noen ganger kan du finne mikroskopiske diamanter i noen meteoritter.

Karbon har to stabile isotoper i naturen:

12 C (overflod = 98,93%) som ble valgt som enkelt referanse nuklid for atommasse 12 , etter flere forslag (tidligere hydrogen , deretter sammen med oksygen for kjemikere).

13 C (overflod = 1,07%).

Atommassen til karbon, 12.010 7, er litt større enn 12 på grunn av tilstedeværelsen av isotopen, 13 C.

Karbon har også to radioisotoper:

14 C : Halveringstid på 5730 år som ofte brukes til å datere arkeologiske gjenstandertil 50.000 år. Det vil ikke være til nytte for morgendagens arkeologer, interessert i skattene i den nåværende sivilisasjonen, fordi de termonukleære eksplosjonene, utført i atmosfæren fra 1960-tallet , har skapt betydelige overskudd.

11 C har en periode på 20 minutter. Denne korte perioden og den relative lettheten ved å erstatte et 11 C-atom med et 12 C (stabilt) karbonatom gjør det til en isotop som brukes i nukleærmedisin , spesielt i positronemisjonstomografi . De mest brukte radiosporingsapparatene til dags dato er 11 C-Racloprid, som fortrinnsvis binder seg til dopaminerge D2-reseptorer, og 11 C-acetat som brukes i hjertebehandling.

Elektronisk struktur

Karbonet med seks elektroner fatter en elektronisk konfigurasjon i grunntilstanden 1s 2 2s 2 2p 2 . Den har fire elektroner på valensskallet , som gjør det mulig å danne fire kovalente bindinger , inkludert type (første binding med et atom) eller type (andre eller tredje binding) bindinger. Type bindinger ledsages alltid av en type binding . Overlappingen av elektroniske funksjoner i en lenke er lavere. Disse koblingene er derfor mindre "solide". $\ sigma$ $\ pi$ $\ pi$ $\ sigma$ $\ pi$

Enkel kropp

Solid tilstand

Kull forekommer i naturen i to hovedototropiske former :

den grafitt stabling av krystallstrukturer sekskantet og monoplan ( graphene ) og grå. Det er den stabile formen ved romtemperatur og trykk;
den diamant , tetraedriske krystallstruktur (type struktur " diamant ") er gjennomsiktig. Det er den stabile formen ved høy temperatur og høyt trykk, metastabilt ved romtemperatur og trykk.

Under normale trykkforhold er karbon i grafittform , der hvert atom er bundet til tre andre i et lag med smeltede sekskantede ringer, som de av aromatiske hydrokarbonforbindelser. Takket være delokaliseringen av orbitaler leder grafitt strøm . Grafitt er mykt fordi de kjemiske bindingene mellom flyene er svake (2% av planetene) og lagene derfor glir lett i forhold til hverandre. $\ pi$

Under veldig høyt trykk krystalliserer karbon seg i et ansiktssentrert kubisk system kalt diamant , hvor hvert atom er bundet til fire andre (interatomavstand på 136 µm ). Den diamant gjennom motstanden av karbon-karbon-bindingene , er, sammen med den bornitrid , jo hardere materiale å klø. Ved romtemperatur er metamorfosen til grafitt så treg at den ikke kan påvises. Under visse forhold krystalliserer karbonet seg til lonsdaleite , en form som ligner diamant, men sekskantet. Av alle edelstenene er diamanten den eneste som forbrukes fullstendig.

I tillegg til grafitt (ren sp 2 ) og diamant (ren sp 3 ), eksisterer karbon i amorf og sterkt uordnet (aC) form. Disse amorfe karbonformene er en blanding av trebindingsgrafittlignende eller firebindede diamantlignende steder. Mange metoder brukes til å lage aC: sputtering, elektronstrålefordampning , lysbueutfelling, laserablasjon, etc. I 2019 ble det sykliske molekylet C 18(ren sp 1 ) ble syntetisert ved fjerning av CO-grupper i oksydet C 24 O 6.

De karbon løk er strukturer basert på en Fulle-lignende struktur, men hvis vegg består av flere lag av karbon.

De sylindriske karbonformene kalles nanorør (karbonnanorør, forkortelse: CNT). De ble oppdaget i pelleten som dannet seg ved katoden til lysbuen under syntesen av fullerener. Disse objektene med nanometrisk diameter og lengde som noen ganger når millimeteren, ser ut som karbonplan med monoatomisk tykkelse (eller grafen ) rullet opp på seg selv og danner et rør med nanometrisk diameter). Nanorør hvis vegg bare består av ett karbonplan kalles "envegget". Nanorørene produsert ved lysbue-metoden er nesten alle "flerbladede".

Grafen består av et enkelt karbonplan med monoatomisk tykkelse. Grafen kan enkelt oppnås ved å ta et enkelt karbonplan fra en grafittkrystall.

Sammen med disse strukturene observerer vi et stort antall polyhedrale nanopartikler . I likhet med løk og flerbladede nanorør, viser observasjoner ved overføringselektronmikroskopi med høy oppløsning ( (en) HRTEM : Elektronmikroskopi med høy oppløsning ) at disse karbonnanopartiklene består av flere lag grafen, lukket, og etterlater et nanometrisk hulrom i sentrum.

Væske og gass

Ved atmosfæretrykk på karbon (grafitt) vil sublimere ved 4100 K . I gassform dannes det vanligvis i små kjeder av atomer som kalles karbyner . Avkjølt veldig sakte, disse smelter sammen for å danne de uregelmessige og forvrengte grafiske arkene som utgjør sot . Blant de sistnevnte finner vi spesielt den enveggede sfæriske formen C 60 kalt fulleren , eller mer presist buckminsterfulleren , og dens varianter C n (20 ≤ n ≤ 100) , som danner ekstremt stive strukturer.

Flytende karbondioksyd bare danner over trykket og temperaturen av trippelpunktet , og derfor over 10,8 ± 0.2 MPa (ca. 100 ganger atmosfæretrykk) og 4600 ± 300 K .

Forbindelser

Karbon er den essensielle komponenten i organiske forbindelser , som ofte inneholder minst en karbon-hydrogenbinding . Imidlertid eksisterer karbon også i naturen i uorganisk form, hovedsakelig i form av karbondioksid , og i mineralform.

Organisk karbon

Kjemien til karbon er i det vesentlige kovalent. Karbon er grunnlaget for et mangfold av forbindelser som kan inneholde et stort antall atomer, i forbindelse med hydrogen , oksygen , nitrogen , halogener , fosfor , svovel og metaller, for eksempel enkle, doble eller trippelbindinger. Studiet og syntesen av disse forbindelsene utgjør organisk kjemi . De viktigste organiske forbindelsene av karbon er " hydrokarboner " av molekyler som kombinerer karbon og hydrogen . Hydrokarboner er klassifisert i tre familier:

de alkaner hvor karbon danner sp bindinger 3 ( "simple"): metan CH 4 , etan C 2 H 6 , etc. ;
den alken , karakterisert ved at minst ett karbon danner bindinger ( " dual ") (sp karbonatomene 2 ): eten (etylen) C 2 H 4 , propen C 3 H 6 , etc. ;
de alkyner , karakterisert ved at minst ett karbon danner bindinger ( " trippel ") (sp karbonatomer): etyn (acetylen) C 2 H 2 , propin C, 3 H 4 , etc.

Avhengig av antall karbonatomer, går vi foran suffikset -ane, -ene eller -yne:

met-
et-
rekvisitt-
mål-
pent-
heks-
hept-
Okt-
Nei-
Des-

Rotasjonen er fri rundt karbon-karbon enkeltbindinger. På den annen side er dobbelt- eller trippelbindinger stive: dobbeltbindingen er plan, bindingsvinklene rundt karbonatomer er 120 °. Dette fører til dannelse av diastereomerer , det vil si forbindelser med samme kjemiske formel, men en annen oppstilling av atomer i rommet. Trippelbindingen er lineær.

I tillegg kan sp 3 karbon danne chirale forbindelser (fra gresk kheir ( ἣ χείρ ), hånden). Det enkleste tilfellet er en forbindelse som har 4 forskjellige substituenter rundt et karbonatom. Avhengig av arrangementet i rommet for disse substituentene, oppnås to molekyler som er forskjellige: de er ikke overliggende, de er et par enantiomerer . Enantiomerene er bildet av hverandre i et speil (som våre to hender).

I aromatiske hydrokarboner danner karbonatomer ringer eller kjerner stabilisert av delokaliserte π-bindinger .

Uorganisk karbon

Denne typen karbonatomer er relativt sjelden når det gjelder variasjon sammenlignet med organiske og mineralsk karbonatomer. Det er oftest i form av uorganiske eller organo-metalliske komplekser som inneholder et bart karbonatom eller et CO- eller CO 2 -molekyl., i deres koordinasjonssfærer. For eksempel :

C i [Fe 5 C (CO) 15 ]og [Ru 6 C (CO) 17 ] ;
CO i de mange kompleksene av Ni (CO) 4-typeneller Fe (CO) 5 ;
CO 2i komplekset [Ni (CO 2) {P (C 6 H 11 ) 3 } 2 ] 0,75 C 6 H 5 Me.

Mineral karbon

CO 2 karbondioksyd molekyleteksisterer i gassform i jordens atmosfære . En viss mengde av denne CO 2oppløses i hav- og kontinentalt vann, og noe av CO 2oppløste reagerer med den vannmolekylet for å danne karbonsyre H 2 CO 3 etter reaksjonen:H 2 O+ CO 2(oppløst) ⇔ H 2 CO 3.

Deretter H 2 CO 3( Dihydrogen karbonat , eller karbonsyre), å være en disyre , gir sine to protoner i målingen av surhet konstantene for de syre-base par (H 2 CO 3 / HCO 3 -) og (HCO 3 - / CO 3 2–) og den opprinnelige sammensetningen av syre-base- oppløste stoffer i vannet i henhold til ligningene:H 2 CO 3+ H 2 O⇔ HCO 3 -( Hydrogen-karbonat -ion , eller bikarbonat ) + H- 3 O +( hydroniumion , eller hydratisert proton )og:HCO 3 -+ H 2 O⇔ CO 3 2–(karbonation) + H- 3 O +.

Imidlertid viser det seg at det i sjøvannet , denne karbonat system er til stede i store mengder, og i andeler slik at det spiller en fundamental buffer rolle i surheten i havvann ( pH 8,1 til 8, 4) som gjør det mulig å foreta veldig stabil. Dette nivået av karbonater (og borater , for å være nøyaktig) kalles alkalinitet eller fullstendig alkalinitet (TAC, målt i franske grader, eller kH målt på tysk °; det er andre enheter. Det er best å snakke i ppm , eller deler pr. million). Denne pH tillot mengder " geologiske " tester kalkstein av protozoisk plankton for å danne sedimentære kalksteiner består hovedsakelig av en krystall av kalsiumkarbonat og magnesium (blanding kalt kalkstein) stein fra Paris, marmor , etc. All denne kjemien er tradisjonelt inkludert i uorganisk , det vil si mineralkjemi, selv om det åpenbart er mange punkter som dette ikke er berettiget til. Dermed kan karbonet inneholdt i karbondioksid, karbonsyre, hydrogenkarbonat og karbonat kvalifiseres som uorganisk karbon. Dette gjelder også for karbon diamant og andre allotropic varianter av krystall karbon.

Farene ved karbon og dets forbindelser

Rent karbon har lav toksisitet for mennesker og kan håndteres trygt og til og med inntas i form av grafitt eller kull. Det er motstandsdyktig mot oppløsning eller kjemisk angrep, selv i det sure innholdet i fordøyelseskanalen, for eksempel.

I motsetning til dette, karbondisulfid CS 2 , selv om lignende struktur som karbondioksid, er et meget giftig væske anvendes som et løsningsmiddel ( gummi vulkanisering ).

De andre karbonoksidene er karbonmonoksid CO, og det mindre vanlige karbon-underoksydet C 3 O 2 . Den karbonmonoksyd er en fargeløs, luktfri gass som dannes ved forbrenning ufullstendig organiske forbindelser eller rent karbon (trekull). De karbonmonoksyd bindes sterkere enn oksygen, den hemoglobin blod for å danne karboksyhemoglobin, en stabil forbindelse. Resultatet av denne reaksjonen er forgiftning av hemoglobinmolekyler , noe som kan være dødelig (se den aktuelle oppføringen).

Den cyanidioner CN - har en kjemisk oppførsel som ligner på et halogenid -ion . Salter som inneholder cyanidion er svært giftige. Cyanogen, en gass med sammensetning (CN) 2, er også nær halogener .

Med metaller, danner karbon-C 4- karbider eller C 2 2- acetylider . Uansett hva som skjer, med en elektronegativitet på 2,5, foretrekker karbon å danne kovalente bindinger . Noen karbider er kovalente gitter, som silisiumkarbid , SiC, som ser ut som diamant , og som dessuten brukes til størrelsen på disse.

Toksisiteten til nye allotropiske former for karbon (fullerener, nanorør, grafen) er nå studert mye. I sin opprinnelige tilstand forblir disse nanostrukturene vanskelige å filtrere i luften og kan utgjøre en fare som må vurderes. Det skal bemerkes at i forbindelse med deres anvendelse, blir disse forbindelsene generelt funnet dispergert i et løsningsmiddel, eller fiksert på et fast substrat.

Merknader og referanser

Merknader

Se Carbon 14-datering .
karbon er flytende bare under forhold som er vanskelige å nå, og dessuten uten særlig praktisk interesse, uttrykket karbonfusjons generelt betegner dens kjernefusjon , og ikke dens fusjon i vanlig forstand av begrepet.
Det er organiske forbindelser som ikke inneholder en CH-binding, for eksempel urea eller heksakloretan .

Referanser

(en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics , CRC Press Inc,2009, 90 th ed. , 2804 s. , Innbundet ( ISBN 978-1-420-09084-0 )
IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights gir: min: 12.0096 maks: 12.0116 gjennomsnitt: 12.0106 ± 0.001; verdi i samsvar med et isotop 13-innhold på 1.0565%
(en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán og Santiago Alvarez , “ Covalent radii revisited ” , Dalton Transactions ,2008, s. 2832 - 2838 ( DOI 10.1039 / b801115j )
Paul Arnaud, Brigitte JAMART, Jacques Bodiguel, Nicolas Brosse, Organisk kjemi 1 st syklus / License, PCEM, farmasi, Kurs, MCQ og applikasjoner , DUNOD,8. juli 2004, 710 s. , Myk omslag ( ISBN 2100070355 )
"Ionization Energies of Atoms and Atomic Ions," i CRC Handbook of Chemistry and Physics, 91st Edition (Internet Version 2011), WM Haynes, red., CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton, FL., P. 10-203
(in) DDL Chung , " Review Graphite " , Journal of Materials Science (in) , vol. 37,2002, s. 1475 - 1489 ( DOI 10.1023 / A: 1014915307738 )
(in) Jenő Sólyom, Fundamentals of the physics of fastids flight. 1 Struktur og dynamikk , Springer,2007, 204 s.
Chemical Abstracts database spurt via SciFinder Web 15. desember 2009 ( søkeresultater )
" Carbon " i databasen av kjemiske produkter Reptox av CSST (Quebec organisasjon med ansvar for sikkerhet og helse), tilgjengelig 25 april 2009
Leksikografiske og etymologiske definisjoner av “Carbone” (som betyr Etymol. Og Hist.) Fra den datastyrte franske språkskatten , på nettstedet til National Center for Textual and Lexical Resources
(en) ME Uker, " Oppdagelsen av elementer. I. Elementer kjent i den antikke verden ” , Journal of Chemical Education , vol 9 (1) 1932, s. 4-10
gamle testamentet, Ex., 28:18; 39:11; Eze., 28:13
R.-A. Ferchault de Réaumur "Kunsten å konvertere smijern til stål, og kunsten å myke opp smeltet jern, eller å lage støpejern fungerer like ferdig som smijern" (1722)
Metode for kjemisk nomenklatur foreslått av MM. de Morveau, Lavoisier, Bertholet og de Fourcroy, 1787, s. 44 .
Becquerel (Antoine César, M.), Memoir on skog og deres klimatiske innflytelse (kopi digitalisert av Google); 1865, se side 124 og følgende.
(i) Katharina Kaiser, Lorel M. Scriven, Fabian Schulz Przemyslaw Gawel, Leo Gross og Harry L. Anderson, " An sp-hybridized carbon allotrope molecular, cyclo [18] Carbon " , Science , vol. 365, nr . 6459,20. september 2019, s. 1299-1301 ( DOI 10.1126 / science.aay1914 ).
(no) JM Zazula, " We Graphite Transformations at High Temperature and Pressure induced by Absorption of the LHC Beam " [PDF] , på CERN ,1997(åpnet juli 2010 ) .
Kjemi av elementene , NN Greenwood (en) og A. Earnshaw, Pergamon press, 1994, s. 356 . ( ISBN 0-08-022057-6 ) .
Kjemi av elementene , NN Greenwood og A. Earnshaw, Pergamon press, 1994, s. 331 . ( ISBN 0-08-022057-6 ) .
INRS , Myriam Ricaud, Dominique Lafon og Frédérique Roos, karbon- nanorør: hvilke risikoer, hvilken forebygging? , 2008.

Se også

Bibliografi

Patrick Bernier, Serge Lefrant, Carbon in all its states , Taylor & Francis,1997, 584 s. ( les online )
Gérard Borvon, History of carbon and CO2 , Vuibert, 2013
Bernadette Bensaude-Vincent , Sacha Loeve, Carbone. Hans liv, hans arbeider , Le Seuil,2018, 349 s. ( les online )

Relaterte artikler

Eksterne linker

(no) “ Tekniske data for karbon ” (åpnet 23. april 2016 ) , med de kjente dataene for hver isotop på undersider
(i) Los Alamos nasjonale laboratorium - karbon
(en) WebElements.com - Karbon
(en) EnvironmentalChemistry.com - Karbon
Lavoisier og fødselen av ordet karbon

1. 3

Hei

Være

IKKE

Født

Ikke relevant

Den

Eller

Ess

Jeg

Dette

Hadde

Lese

Din

Bein

På

Kunne

Nei

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

Alkali- metaller	Alkalisk jord	Lanthanides	Overgangs metaller	Dårlige metaller	metall loids	Ikke- metaller	halogen gener	Noble gasser	Varer uklassifisert
		Actinides
		Superaktinider