Généralités sur le carbone
Le carbone comme corps pur existe dans la nature sous deux formes que sont
le diamant et le graphite (charbon). Les dérivés composés de carbone sont eux très
nombreux : on en dénombre aujourd'hui 15 millions. Les caractéristiques du carbone sont
un numéro atomique Z = 6 et une masse molaire moyenne de : M(C) = 12 g / mol.
Le carbone graphite
Le carbone graphite, c'est-à-dire le charbon, est la forme la plus
courante du carbone pur.
L'utilisation qui en est faite est celle de combustible. La réaction de
combustion transforme le carbone en dioxyde de carbone grâce au dioxygène de l'air, avec
un fort dégagement d'énergie.
Le carbone graphite a une structure cristallographique bien connue : c'est
un assemblage hexagonal. La particularité de l'assemblage est qu'il est lamellaire. Il y
a en effet une distance de 335 pm entre chaque feuillet, alors qu'à titre de comparaison,
le côté de chaque hexagone mesure 141,5 pm. Cette structure lamellaire permet d'insérer
des molécules ou des ions : les composés d'insertion.
Le graphite existe aussi sous forme rhomboédrique.
L'énergie de liaison entre atomes de carbone dans le graphite est de
l'ordre de celle du benzène, à peu près 310 kJ / mol.
Question. Pourquoi le graphite est-il noir ?
Réponse. La grande délocalisation des électrons dans le
réseau implique une absorption totale
Le carbone diamant
La dureté du diamant est la conséquence de deux faits : une grande
cohésion et une énergie de liaison entre atomes de carbone très élevée :
E(C-C)diamant = 360 kJ / mol.
Le diamant est une structure cubique face centrées, où chaque carbone de
la maille se trouve entourée de quatre atomes de carbone selon un tétraèdre.
Les fullerènes
Les fullerènes sont des structures tout intermédiaires entre le carbone
diamant et le carbone graphite. Ils se présentent sous la forme de sphères pouvant
(composées uniquement de carbone) se différenciant par le nombre d'atomes de carbones
qui les composent, par exemple le C60 (footbalène), C40, C120...
De nombreuses recherches sont actuellement menées pour leur trouver des
applications industrielles.
Structure de l'atome de carbone
Dans la classification de Mendeleiev, le carbone se trouve sur la deuxième
ligne, en sixième colonne, et porte le numéro atomique Z = 6. La configuration électronique du
carbone est donc K2L4 ou 1s2 2s2 2p2.
Ceci implique que quatre électrons non appariés peuvent créer des liaisons : le carbone
est tétravalent. Sa structure de
Lewis est donc la suivante :
Le carbone tétragonal
Les quatres liaisons du carbone peuvent être orientées selon quatre
directions différentes. L'angle entre chaque liaison est de 109°28'.
On retrouve cette structure tétraédrique dans les molécules de type
alcanes, cyclanes, ainsi que dans les groupements alkyles.
Le carbone trigonal
Les quatres liaisons du carbone peuvent être orientées selon trois
directions. Ceci implique deux liaisons simples et une liaison double. On retrouve cette
structure trigonale dans différentes familles de molécules :
avec un carbone : alcènes
avec un oxygène : aldéhydes, cétones, acides carboxyliques et
dérivés
avec un azote : imine
Le carbone trigonal est plan, et les angles entre liaisons sont de 120°.
Le carbone digonal
Les quatres liaisons du carbone peuvent être orientées selon deux
directions. Il y a donc deux possibilités.
Deux doubles liaisons, que l'on retrouve dans une molécule courante, le
dioxyde de carbone (O=C=O), et dans d'autres molécules plus rares, les isocyanates
(O=C=N-), les allènes(R=C=R').
Le carbone sp3
L'hybridation sp3 correspond à la géométrie
tridimenseionnelle du carbone tétraédrique.
Le carbone sp²
L'hybridation sp² du carbone correspond à la géométrie plane que l'on
retrouve dans le carbone trigonal. Cette représentation permet de représenter la double
liaison selon la chimie quantique.
Le carbone de symbole
atomique C est l'atome qui tient la place principale dans le monde de la structure
moléculaire des organismes vivant. 
