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Carbone pur

Dossier - Mille et une facettes du carbone
DossierClassé sous :chimie , carbone , polymère

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Le carbone a été découvert dès la préhistoire et était produit par la combustion incomplète des matières organiques produisant du charbon. C'est un élément chimique de la famille des cristallogènes : ambre, encre de Chine, carbure, graphite, noir animal, charbon actif, diamant, crayon, etc... Tous ces mots ont un lien direct avec le carbone : c’est ce que ce dossier va vous faire découvrir en traitant du carbone sous un angle moins « chimique » que d’habitude.

  
DossiersMille et une facettes du carbone
 

Il porte 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.

La teneur en carbone du charbon est importante. © Sinjy and Sadie, Flickr, CC by-nc 2.0

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, avec comme exemples le dioxyde de carbone (O=C=O), les isocyanates (O=C=N-), les allènes (R=C=R') ;
une simple et une triple liaison, avec comme exemple le cyanure d'hydrogène (HCN) et les alcynes (RCCR')

La teneur moyenne de l'écorce terrestre est de 0,2 % environ, et il est natif sous forme de graphite et de diamant. Sinon il est combiné à l'hydrogène et l'oxygène et autres éléments dans les charbons, les hydrocarbures (pétrole, gaz naturel), les carbonates (calcaire, dolomie), le dioxyde de carbone (dans l'eau, l'atmosphère).

Pétrole

1 - Le charbon

C'est une roche renfermant suffisamment de carbone pour être utilisable comme combustible et formée par fossilisation de végétaux, à l'abri de l'air, dans des bassins sédimentairesLa 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 calorifique (quantité de chaleur en millithermie dégagée par 1 kg de charbon).

Classification d'après la teneur en carbone :

- La tourbe quaternaire : 50 à 68 % de C, 30 % de O2, 6% de H2, marais.
Le lignite tertiaire : 55 à 75 % de C, 25 % de O2, 5 % de H2.
La houille 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 métallurgique et le charbon vapeur utilisé pour les chaudières industrielles qui est le plus abondant.

2 - Le diamant

Lire notre dossier sur le diamant.

3 - Le graphite

Voir le paragraphe du présent dossier.

4 - Le noir animal

Il est obtenu par calcination des os en vase clos et est utilisé, par exemple, dans le raffinage du sucre.

5 - Le charbon de bois

Il peut contenir 93 % de C, de l'hydrogène et 3 % de cendres (carbonates de sodium et potassium). Il est purifié par des lavages acides et sert de combustible ou de charbon actif pour son pouvoir adsorbant (voir plus loin).

Meule française de bois pour faire le charbon

6 - 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 prothèses de doigts.

7 - Le charbon actif

Fabrication à partir de bois, 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 900-1000°C (activation physique) donne un charbon à pores étroits,
par de l'acide phosphorique à 400-500°C (activation chimique)  donne des pores plus larges.

Le diamètre des pores dépend également de la matière première utilisée. Les coques de noix de coco donnent des micropores ( 50 nm). Un gramme de charbon actif a une surface comprise entre 400 et 2 500 m2. Pour l'adsorption des impuretés gazeuses les pores ont de 1 à 2 nm, pour la fixation des impuretés dans les liquides, 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 automobiles (canister), la récupération de solvants, les masques à gaz, certains filtres de cigarettes, pour détacher des vins blancs.

8 - Le coke

Il est obtenu après élimination des composés volatils du charbon par distillation 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 1100-1400°C. Le coke est refroidi par aspersion à l'eau ou sous une atmosphère de gaz inerte.

1 t de houille donne 750 kg de coke de composition du coke approximative : carbone : 88 %,
cendres : 9 %,
eau : 1,7 %,
azote : 1,3 %.

Essentiellement utilisé en sidérurgie lire notre dossier "Le fer tombe le masque".

9 - Le noir de carbone ou carbon black

Ils sont constitués de carbone (98 à 99,7 %) présent sous forme de particules sphériques (de 10 à 500 nm) agrégées. Leur surface spécifique est comprise entre 10 et 300 m2/g. Produit en Chine par combustion incomplète dans des lampes à huile (c'est le noir de fumée) il fournit le pigment noir de l'encre de Chine, voir paragraphe de ce dossier, et c'est en 1912, qu'il montra fortuitement ses qualités exceptionnelles de renforcement des pneumatiques en caoutchouc.

Le pneu le plus gros du monde, Le Michelin 59/80R63. Ce pneu équipe les tombereaux d'excavation minière en Australie. Il pèse 5 tonnes et mesure 4m de diamètre pour 1,48m de largeur. Ils sont gonflés à 6,5 bar de pression. Ce pneu équipe le tombereau géant Caterpillar 797B. Source www.pneumatique.org

Produit 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  1500 pendant un temps très court. Les gaz sont refroidis rapidement puis le noir de carbone est récupéré par filtration.

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 résistance à l'usure, encore du carbone de tous les jours !

Les encres liquides pour journaux contiennent près de 10 % de leur masse de noir. Les encres pour offset de 20 à 30 %.

Le noir de carbone assure, (1 à 3 %), la protection des plastiques et élastomères contre les UV des gaines électriques, canalisations...