Propriétés du carbone : Une vue d'ensemble

Dans le monde des éléments, le carbone est unique et éblouissant. Des molécules organiques, base de la vie, aux matériaux clés de l'industrie, il est partout. L'exploration des propriétés du carbone nous permet de mieux comprendre l'intersection de la nature et de la technologie, la composition de la matière et les réactions chimiques.

Propriétés physiques du carbone

Aperçu des allotropes

Le carbone peut former une variété d'allotropes, tels que le diamant, le graphite, etc. Bien qu'ils soient composés d'atomes de carbone, l'arrangement atomique et les modes de connexion sont différents. Les propriétés physiques et chimiques sont sensiblement différentes, et la valeur de la recherche d'application est élevée dans les matériaux, l'électronique et d'autres domaines.

Caractéristiques du diamant

Le diamant est la substance la plus dure de la nature, avec une dureté de Mohs de 10. Ses atomes ont une structure tétraédrique, une forte force de liaison atomique, une résistance à l'usure et à la pression, et il est utilisé pour les forages de coupe. Il est incolore et transparent, sa réfraction est forte, c'est une pierre précieuse. Conductivité thermique élevée, il peut être utilisé pour la dissipation de la chaleur électronique, mais il est difficilement conducteur.

Propriétés du graphite

La texture du graphite est douce et lisse. Elle provient de la structure en couches et il est facile de glisser entre les couches. Le graphite est souvent utilisé comme lubrifiant à haute température et à haute pression. Il possède une bonne conductivité électrique, des électrons libres dans la couche. Le graphite peut également être utilisé dans les batteries lithium-ion. anode matériaux et moteur brosses pour assurer la charge et la décharge et la transmission du courant.

Autres caractéristiques de l'allotrope

Les fullerènes tels que le C60 sont encagés, optiquement actifs, peuvent former des complexes avec des ions métalliques et ont un potentiel dans les dispositifs optoélectroniques et la catalyse. Les nanotubes de carbone ont un diamètre de l'ordre du nanomètre, une résistance élevée et une bonne conductivité électrique et thermique. Ils peuvent être utilisés dans le domaine de la nanoélectronique et des matériaux composites. Le graphène est un matériau bidimensionnel monocouche doté d'excellentes propriétés électriques, mécaniques et thermiques. Il offre de vastes perspectives dans le domaine des dispositifs électroniques flexibles.

Résumé des propriétés physiques générales

Apparence

Le diamant est incolore et transparent, brillant après polissage, et constitue une pierre précieuse. Graphite gris foncé avec un éclat métallique, floconneux, lisse au toucher. Les fullerènes sont des poudres noires ou brunes, les nanotubes de carbone sont des tubes noirs extrêmement fins. Quant au graphène, il s'agit d'une feuille bidimensionnelle presque transparente avec une texture plissée caractéristique.

Densité

Le diamant pèse environ 3,5-3,53 g/cm3, les atomes sont étroitement serrés ; le graphite pèse environ 2,09-2,23 g/cm3, il y a un espace entre les couches. Les fullerènes pèsent environ 1,65 g/cm3, les nanotubes de carbone 1,3-1,4 g/cm3 et le graphène environ 2,267 g/cm3, les densités variant en fonction de l'arrangement atomique et de la structure.

Point de fusion

Le point de fusion du diamant dépasse 3500°C, les atomes forment des tétraèdres réguliers avec des liaisons covalentes et la structure est solide. Le point de fusion du graphite est d'environ 3652-3697°C, et la liaison covalente dans la couche est stable. Le point de fusion élevé rend le carbone stable dans un environnement à haute température et il est utilisé dans les domaines industriels à haute température.

Point d'ébullition

Le point d'ébullition du diamant et du graphite est d'environ 4827°C, dans des conditions normales. Le carbone passe difficilement de l'état solide à l'état gazeux, il faut une température extrêmement élevée pour changer d'état. Dans l'environnement industriel et de vie, les propriétés physiques et chimiques du carbone sont stables, la décomposition par volatilisation n'est pas facile.

Solubilité

Le carbone est insoluble dans l'eau, les solvants organiques courants et les solutions acides et alcalines. En raison de la stabilité de sa structure atomique et de la force interatomique élevée, la molécule de solvant peut difficilement briser la structure élémentaire du carbone et son action. La solubilité est extrêmement faible dans la plupart des solvants.

Conductivité

La structure de la couche de graphite a des électrons libres, conduit bien l'électricité et peut être utilisée pour les électrodes. Les électrons du diamant sont liés à des liaisons covalentes et conduisent difficilement l'électricité. Les fullerènes et les nanotubes de carbone ont une certaine conductivité électrique, le graphène a une grande mobilité des électrons, une excellente conductivité électrique et un grand potentiel dans le domaine de l'électronique.

Propriétés chimiques du carbone

Stabilité

À température ambiante, les propriétés chimiques de la carbonisation sont stables. Les quatre électrons de la couche externe de l'atome ne sont pas faciles à gagner ou à perdre. Il faut une grande énergie pour briser la structure stable et participer aux réactions chimiques. Les reliques culturelles, les peintures et les tableaux contenant du carbone peuvent donc être conservés pendant longtemps.

Inflammabilité

Il est inflammable et brûle complètement pour produire du dioxyde de carbone lorsque l'oxygène est suffisant, libérant ainsi beaucoup d'énergie thermique. Le monoxyde de carbone est produit par une combustion incomplète lorsque l'oxygène est insuffisant, et la réaction de combustion est un moyen important d'obtenir de l'énergie.

Réductibilité

Il présente une réductibilité importante à haute température. Il peut réagir avec les oxydes métalliques, saisir l'oxygène dans les oxydes et réduire le métal. Il est largement utilisé dans l'extraction des métaux dans l'industrie métallurgique et joue un rôle clé.

Réactions avec d'autres substances

Il réagit avec diverses substances dans certaines conditions. À haute température, il réagit avec le soufre pour produire du disulfure de carbone et avec la vapeur d'eau pour produire du monoxyde de carbone et de l'hydrogène. Ces produits ont d'importantes applications dans les domaines de la chimie et des carburants.

Quadrivalence

Les quatre électrons externes d'un atome de carbone quaternaire sont dans un état quaternaire. Il peut former 4 liaisons covalentes avec une variété d'atomes pour construire des composés complexes et divers, de la simple matière organique aux macromolécules biologiques. Il est à la base du monde organique et de la matière vivante, et revêt une grande importance.

Chaînage

Ses atomes peuvent être reliés à des chaînes par des liaisons covalentes, c'est-à-dire par chaînage. Il peut former une chaîne droite, une chaîne ramifiée ou une structure en anneau, la longueur et la structure de la chaîne affectant les propriétés des composés. Il est à la base de la formation de nombreux composés organiques, soutenant le vaste système de la chimie organique.

Structure électronique

La configuration électronique d'un atome de carbone est 1s22s22p2. Cette structure détermine son comportement chimique, et les quatre électrons les plus externes lui permettent de partager facilement des électrons avec d'autres atomes pour former des liaisons. Mais aussi de gagner et de perdre des électrons dans certaines conditions, et de participer à diverses réactions chimiques.

Électronégativité

Son électronégativité est d'environ 2,55 (sur l'échelle de Pauling), entre les métaux et les non-métaux. Dans un composé, lors de la liaison avec différents éléments, la liaison chimique a une polarité différente en raison de la différence d'électronégativité. Cela affecte l'activité chimique et les propriétés physiques du composé.

Lien entre la propriété et l'application

Applications déterminées par les propriétés physiques

Ses propriétés physiques sont variées, ce qui lui confère une grande richesse d'applications. La dureté du diamant est appelée la couronne de la nature et présente des avantages significatifs dans le domaine de la coupe et du meulage. Il permet notamment de couper le verre et de traiter le carbure cémenté. Le graphite a une bonne conductivité électrique et peut être largement utilisé dans les électrodes des batteries pour assurer le cycle de charge et de décharge. Le graphène possède une excellente conductivité électrique et une très grande flexibilité, ce qui en fait un matériau idéal pour les écrans d'affichage flexibles et les appareils électroniques portables. La grande résistance des nanotubes de carbone peut améliorer les performances des matériaux composites. Ils peuvent également être utilisés dans des domaines tels que l'aérospatiale, où la résistance des matériaux est très importante.

Applications déterminées par les propriétés chimiques

Ses propriétés chimiques dominent son application dans un certain nombre de domaines clés. L'inflammabilité fait du charbon et du gaz naturel des sources d'énergie importantes. En brûlant, il libère une grande quantité d'énergie thermique qui répond aux besoins énergétiques de la production industrielle et de la vie quotidienne. La réductibilité lui fait jouer un rôle clé dans l'industrie métallurgique, en réduisant les métaux à partir de leurs oxydes. La quadrivalence et la capacité d'enchaînement du atomes de carbone sont à la base de la construction des composés organiques. La synthèse des médicaments, des matières plastiques, du caoutchouc, etc., repose sur cette base et fournit une grande variété de produits à la société moderne.

Conclusion

Le carbone joue un rôle important dans la nature et la société humaine en raison de ses propriétés uniques. Les propriétés de ses allotropes déterminent un large éventail d'applications, et ses propriétés chimiques soutiennent la vie et l'industrie. À l'avenir, la recherche sur le carbone s'intensifiera et continuera à contribuer à la résolution de problèmes tels que l'énergie.