I - Carbone AmorpheA Charbona. Dfinition du charbon: Provenant de matires vgtales, le charbon est un combustible solide, de structure amorphe, et compos d'agrgats de cristaux. Sa combustion dgage beaucoup de chaleur. Il a de nombreux liens daffinit chimique qui permettent de le classer rationnellement suivant sa teneur en C,H,O et N. Enfin, il est chimiquement et physiquement htrogne et sa structure atomique comporte de nombreux points de ramification. b. Structure chimique du charbon et proprits b.1 quels sont les atomes mis en jeux? Le charbon est principalement form de C, H et O et peut aussi contenir N et S. Sa teneur en hydrogne est faible. b.2 proprits intrinsques des lments mis en jeux: Les lments produisant la chaleur sont (C et H fixe)* la combustion. O diminue la puissance calorifique lorsque sa teneur augmente. b.3 dans quels types de liaisons ces atomes peuvent ils tre impliqus? On les trouve surtout dans des (liaisons aromatiques)* avec trois, quatre et cinq (anneaux de benzne)* souds ensemble et d'autres structures avec un seul anneau de benzne. Les structures les plus simples sont constitues de 8 ou 10 atomes de carbone. c. Diffrentes formes de charbon La formation du charbon est une dsoxygnation/aromatisation de la matire organique: plus le charbon prend de l'ge, plus sa teneur en oxygne diminue et son (aromaticit)* augmente. On distingue 4 types de charbon, classs dans l'ordre d'aromaticit croissante: -Lignite -semi bitumineux houille -bitumineux -anthracite

Charbon semibitumineux

Lignite

Charbon bitumineux

Anthracite

Reprsentations schmatiques des formes typiques du charbon Ces charbons sont diffrencis par leurs proprits physique et chimique en fonction des donnes suivantes: -le pouvoir calorifique: c'est la chaleur de combustion et la puissance calorifique (il existe une certaine proportion entre la teneur en carbone dun combustible et sa puissance calorifique). -la teneur en matires volatiles: en distillation, lorsque la teneur en (matires volatiles du charbon)* saccroit, la chaleur dun combustible naugmente pas. -la teneur en eau: une forte teneur en eau diminue la puissance calorifique dun charbon -la teneur en cendres: c'est le rsidu solide que l'on rcupre aprs la combustion complte du charbon, plus le taux est lev, plus le charbon est mauvais combustible. -le poids spcifique: rapport entre poids dun corps et son volume. il dpend de la nature du charbon et des lments minraux, donc de la teneur en C et en cendres -la valeur industrielle: 1- pourcentage de C, 2- teneur en eau, 3- teneur en cendres, 4pouvoir calorifique

Tableau des proprits physiques et des proportions en lments chimiques du charbon. (donnes d'aprs Le charbon, composition, gologie, gisements, A.Lombard)

d. Applications industrielles des diffrentes formes du charbon:

-grandement utilis comme combustible en centrales thermiques. (combustion de lignite, bitumineux,anthracite) -utilis en filtrage, car c'est le seul pouvoir dgrader de grandes et complexes molcules.(charbon actif issu de lignite, houille, anthracite et matires organiques) -utilis pour fabriquer des bio-plastiques. -grandement utilis sous forme de (coke)* pour les aciries.(bitumineux) -a t utilis par le procd de Fisher-Tropsch qui permet de fabriquer du ptrole partir du charbon (mais ce n'est pas conomiquement viable). Une grande quantit de charbon tant disponible (250 ans de rserves), cette forme d'nergie va peut-tre se dvelopper nouveau au cours des prochaines annes.

Charbon issu du sol minier

B - Noir de carboneLe noir de carbone est form par combustion incomplte ou par dcomposition thermique d'hydrocarbure : rsidus ptroliers lourds, huile de ptrole, goudron de houille, gaz naturel. Tableau des principaux noir utilis dans les Industrie : Procd chimique Type de noir de carbone Noir de fume (Lamp black) Combustion incomplte Noir tunnel (Channel Black) Produit de dpart Hydrocarbures de goudron Gaz naturel

Noir de fourneau (Furnace Gaz naturel Black) Liquide aromatique Noir thermique Black) Noir d'actylne Black) (Thermal Gaz naturel

Dcomposition thermique

(Acetylene

Actylne

Les noirs de carbone sont composs de carbones lmentaire ; entre 97% et 99% de sa masse (?), ce sont donc des matriaux polycristallins ou nanocrystallin du graphite ou du diamant dans une matrice amorphe : -Ils se prsentent sous forme lmentaire en agrgat ( de 1m plus de 100 m) compos de nodules quasi-sphriques ( environs 85 500 nm ). -De plus des forces lectriques cr une cohsion entre les agrts pour former des agglomrats ( de 1 m plus de 100 m).

Tableau des dimensions des agrgats des principaux noirs de carbones : Procd chimique Combustion incomplte Type de carbone noir de Diamtre (nm)

Noir de fume (Lamp 50-100 black)

Noir tunnel Black)

(Channel

10-30

Noir de fourneau 10-80 (Furnace Black) Noir thermique 150-500 (Thermal Black) Noir d'actylne 35-70 (Acetylene Black)

Dcomposition thermique

Autre proprit du noir de carbone : -Surface spcifique allant de 10m/g (noir thermique) 300m/g (noir de fourneau). -Insolubles dans l'eau ainsi que dans les solvants organiques. -Masse molaire : ~12g/mol -point de fusion : ~3550c -point d'bullition : 4200c -densit (D pui 20, expo 4) : 1,8 2,1 -Numro d'identification CAS :1333-86-4 Le Noir de carbone est utilis comme additif et agent de coloration pour les plastiques et les caoutchoucs : il permet de modifi les proprits physiques, lectriques et mcaniques des rsines. Principaux secteurs d'utilisation : -Industrie des pneumatiques: 70 % -Le noir de carbone reprsente 25% de la masse d'un pneu. -Autres caoutchoucs pour automobile: 10%. -Caoutchoucs industriels :10%. -Plastiques: 4%. -Pigments pour peintures, plastiques, papiers,ciments encres et cramiques. -Additif dans les vernis ongles. -Encres d'impression: 3,5%. -Peintures et mail. -Baguettes de soudage. -Papier carbone. -Finition du cuir. -Agent de filtration. -Conducteurs d'lectricit et piles sches. -Raffinage du ptrole: -Le coke (carbone presque pur) est prsent en rsidu des oprations de cracking (-Collyre )

Le Noir de carbone est trs peu toxique. En cas d'exposition il provoque des irritation mcaniques des yeux et des irritations des voies respiratoires . Il est class comme potentiellement cancrigne (class 2B par IARC) car les donnes sont insuffisantes pour tablir la cancrognicit chez l'homme. La surface spcifique : Par dfinition, la surface spcifique dun adsorbant est une surface par unit de masse, gnralement exprime en m2.g-1, reprsentant laire disponible pour adsorber une monocouche de molcules. C Suie La suie est, de mme que la noir de carbone, obtenue par combustion incomplte ou par dcomposition thermique d'hydrocarbure. Cependant la suie se distingue du noir de carbone de plusieurs faons : -elle contient un niveau de goudron plus lev c'est un sous produit indsirable de la combustion de divers carburant (bois, charbon, produits ptroliers) obtenue sans procd dfinit et sans contrle de qualit.

Figure 6 Blotter A shows good dispersancy, blotter B shows high soot load with marginal dispersancy, blotter C shows high soot load and failing dispersancy, blotter D shows failed dispersancy.

La suie n'a pas de forme propre, elle est reprsente la limite du noir de carbone : comme particules impures de carbone cokfies ou carbonises (lors de la combustion incompltes d'un hydrocarbure). L'exposition aigu la suie gnre des irritations plus importante que le noir de carbone et contrairement celui-ci, est un agent cancrigne connu (class 1 par IARC) car la suie contient des hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAHs). Il n'y a pas d'application connue. Mais elle est responsable des dcolorations et des dpts noir des combustions d'hydrocarbures.

II- Carbone CristallinA- Graphite Introduction:Au cours du XVIIIme sicle, Carl Wilhelm Scheele a dcouvert le graphite, tout d'abord appel plombagine puis graphite en 1789 par Abraham Gottlieb Werner. Le graphite est un allotrope du carbone et c'est sa forme la plus stable ( tempratures et pressions ordinaires) et la plus inerte chimiquement. C'est un solide noir l'clat submtallique, que l'on peut trouver dans les sdiments de mtamorphisme rgional.

I/ Structure et polytypisme:a) Structure:Cest un empilement de plans appels graphnes, chacun tant constitu d'un pavage rgulier d'hexagones en nid d'abeilles. Chaque atome de carbone est reli dans le plan des hexagones trois atomes voisins par des liaisons covalentes de type sp faisant entre elles des angles de 120. Ces liaisons planes sont fortes et caractrises par une distance entre atomes de 0,142 nm. Les atomes sont au contraire faiblement relis aux atomes des plans voisins par des liaisons de type Van der Walls et la distance entre plans d'hexagones est de 0,335 nm.

b) Les diffrents polytypes_Le systme cristallin hexagonal, appel graphite-2H, suivant un empilement de type ABAB, o le plan B est translat de a/3 par rapport au plan A. C'est un groupe d'espace P 63/mmc. _Le trigonal rseau rhombodrique , appel graphite-3R, suivant un empilement de type ABCABC.

Graphite-2H

Graphite-3R

II/ Proprits:a) Proprits gnralesLe carbone graphite a des proprits physiques anisotropes. C'est--dire que ses proprits sont diffrentes suivant la direction o on l'tudie ou le regarde cause de sa structure en feuillets. Le graphite est un excellent conducteur de chaleur et d'lectricit. Il rsiste l'oxydation, a un bas coefficient d'absorption des rayons X et a un trs bas coefficient de friction. De plus, il est insoluble dans l'eau.

b) Quelques chiffres_Duret : entre 1 et 2 sur l'chelle de Mohs _Densit : entre 2,1 et 2,3 _Masse volumique : 2,09-2,23gcm-3 _Temprature de fusion : 3652C (point de sublimation) _Indice de rfraction : entre 1,93 et 2,07 _Pouvoir de rflexion : 21,3%

c) Proprits des polytypismes: _Le graphite 2H : sa structure est analogue celle des mtaux qui cristallisent avec empilement hexagonal compact, mais c'est un nonmtal. Il a une rsistivit lectrique est de 50 .m, ce qui correspond 2900 fois celle du cuivre._Le graphite 3R : sa structure rhombodrique est instable, on ne la trouve jamais comme forme pure/

III/ Utilisations:Sachant que le carbone graphite est neutre chimiquement et qu'il est une trs bon conducteur lectrique et thermique, il est utilis dans la cration de nombreux matriaux comme: _Les mines de crayons papiers _Les pilles alcalines _Les lectrodes _Les balais des moteurs lectriques _ en mdecine comme absorbant en cas d'intoxication par voie orale _composite d'alliage (Titane / Fibre de verre / Aluminium) dans la fabrication des cadres de raquettes de tennis et cannes pche Conclusion: Faire en fonction du groupe diamant (phrase de liaison)

B Diamant 1) structure et caractristiquesLe diamant est le matriau naturel le plus dur, compos exclusivement de carbone, il nest

pas stable dans les conditions normales de temprature et de pression, mais uniquement a hautes pression et tempratures (1100 1400C et 4.5 6 Gpa), lui confrant une structure cubique face centr dont 4 des 8 sites ttradriques sont occups. Cette structure particulire lui confre des proprits trs diffrentes de ses camarades allotropes du carbone. En effet, contrairement au graphite ayant une structure en couches , dans le diamant, chaque atome est li 4 autres atomes lui donnant une structure extrmement rigide et ainsi sa duret rpute. Il est aussi un excellent isolant lectrique, le carbone pouvant faire jusqu 4 liaisons et celles-ci tant toutes existantes dans le cas du diamant, aucun lectron ne peut se dplacer lintrieur du rseau et de ce fait transporter le courant. Le diamant est aussi le matriau transparent possdant le plus haut indice de rfraction de toutes les pierres naturelles (environ 2.4), il possde des proprits optiques impressionnantes en rflexion ou dispersion de la lumire si un joailler lui donne les formes appropries. La liste de ses proprits est trs longue, on notera aussi une trs faible dilatation (coefficient de dilatation de 1.10-6 ), une trs bonne conduction thermique et une forte fluorescence si on le soumet de la lumire ultra violette.

2) applications du diamantLe diamant est utilis dans de nombreuses applications dans des domaines varis. On peut le retrouver dans la joaillerie (cration de bagues, colliers), dans les pointes de lecture des platines vinyles, en mdecine (scalpels lame de diamant pour la chirurgie ophtalmologique), dans les outils dusinage dans lindustrie (coupe du granite ou du bton), dans le forage (carottage au diamant) Les diamants peuvent tre galement utiliss dans le domaine du microlectronique. En effet les clats de diamants ont les capacits de fonctionner des tempratures ou lefficacit du silicium est nulle. Lutilisation du diamant dans le domaine de llectrochimie bien quil soit peine dcouvert risque dtre trs prometteuse.

3) autres formes du diamanta) lonsdalite

STRUCTURE DE LA LONSDALEITE La lonsdalite est une forme allotropique du carbone de structure hexagonale, elle a t dcouverte dans un cratre mtoritique en Arizona, puis a t synthtise avec succs quelques annes aprs par compression et chauffage intense de graphite pour reproduire

les conditions intenses de sa cration naturelle lors dune collision mtorite/terre. Sa structure la rend 58% plus dure que le diamant naturel et elle rsiste des pressions allant jusqu 152Gpa !

b) nanobaguette de diamant agrg La nanobaguette de diamant agrg (ou ADNR) est un nanomatriau issu du fullerne et produit par synthse une pression de 20Gpa et une temprature de 2500K. De cette synthse, on obtient de minuscules baguettes de diamants interconnects. Les proprits de ce matriau sont impressionnantes car il savre tre dune densit 0.3% suprieure celle du diamant (jusque l le matriau le plus dur connu) Les utilisations de ce matriau dans lindustrie sont encore lessai, mais tout est croire quil pourrait tre largement utilis dans quelques annes

III- Carbone clusterA- Fullerne

a) Nanotubes de carbones Dcouverts en 1991 par une quipe japonaise, les nanotubes de carbones sont des cylindres ferms aux deux extrmits par une vote de type fullerne et dont les atomes de carbones sont organiss en rseaux d'hexagones, comme reprsent ci dessous : Il existe 2 grandes familles de nanotubes : les nanotubes mono-feuillets (diamtre de l'ordre du nanomtre) et les nanotubes multi-feuillets (diamtre de 10 100 nanomtres, le nombre de couches pouvant aller jusqu' une centaine). Les nanotubes mono-feuillets possdent de nombreuses caractristiques telles que : une trs bonne rsistance mcanique(cent fois plus rsistants et six fois plus lgers que l'acier), une bonne conductivit lectrique (comptitive avec le cuivre) et thermique (meilleur conducteur que le diamant) et ils peuvent servir d'metteur d'lectrons (compte tenu de leur gomtrie). Il existe plusieurs mthodes de conception des nanotubes. Une premire mthode consiste vaporiser du carbone pur sous forme graphite en l'absence d'oxygne et en prsence de catalyseurs (Ni ou Co), le tout des tempratures suprieures 3000C, ce qui peut tre obtenu l'aide d'un arc lectrique par exemple. Une deuxime mthode consiste dcomposer un gaz carbon tel que du mthane (CH4) des tempratures comprises entre 700 et 1200C en prsence d'un catalyseur tel que Ni, Co ou Fe. Les nanotubes peuvent servir diverses applications. Ainsi les nanotubes peuvent tre utiliss comme lments de renfort mcanique, lectrique et thermique pour des matriaux composites (dans l'arospatiale par exemple). Les nanotubes peuvent aussi

tre utiliss comme lments metteurs d'lectrons pour l'affichage cran plat (FED), comme lments de stockage lectrochimique du Lithium pour des batteries ou encore pour le stockage de gaz pour les piles combustible. Enfin les nanotubes pourraient servir en mdecine dans la cration de muscles artificiels en exploitant les proprits d'actionneurs des nanotubes (c'est dire l possibilit de transformer une sollicitation lectrique en une raction mcanique), en effet lorsque l'on envoie une dcharge lectrique sur un nanotube de carbone, la distance entre les atomes de carbone est modifie, donc la longueur du nanotube est galement modifie. L'utilisation des nanotubes de carbones pose actuellement un certains nombre de questions notamment sur la toxicit pour l'environnement et pour l'homme, questions auxquelles tentent de rpondre des chercheurs du CNRS, entre autres. b Cn>60 Un fullerne est une molcule compose entirement de carbone, en forme dune sphre, dun ellipsode, dun tube ou dun anneau. Les fullernes sphriques sont appels Buckyballs et les fullernes cylindriques sont appels Nanotubes ou Buckytubes. Les fullernes sont plus ou moins similaires au graphite du point de vue de la structure. Ils sont composs de feuilles d'anneaux hexagonaux lis, mais contenant des anneaux pentagonaux et parfois heptagonaux, ce qui empche la feuille d'tre plate.

Figure 1. Exemple de fullrne

a. Fullrnes cylindriques (nanotubes) b. Fullrnes sphriques (C60 et Cn>60)

Figure 2. Structure et maille cristalline du fullerne C60

Le fullerne le plus courant et le plus stable est le buckminsterfullerne, une molcule sphrique ressemblant un ballon de football, compose de 60 atomes de carbone. Il tient son nom de larchitecte Buckminter Fuller, qui a construit un dme dont la structure ressemble celle du C60. Les buckminsterfullernes est le groupe le plus abondant des atomes de carbone prsents dans la suie de carbone. Il est galement le plus petit de la molcule de carbone dont les faces pentagonales sont isoles les unes des autres. Sa taille est infrieure au nanomtre. La plus petite molcule de fullerne possible peut avoir 32 atomes de carbone, bien que des molcules fullerenelike (auxquelles il manque une face hexagonale) nayant que 20 atomes de carbone aient t trouves. Les autres fullernes qui ont t produits en quantits macroscopiques ont 70, 76, 84, 90 et 96 atomes de carbone, et beaucoup plus ont t trouvs, tels que ceux qui contiennent 180, 190, 240 et 540 atomes de carbone.

Figure 3. Fullernes C240 et C540

Les fullernes ont d'abord t identifis en 1985 en tant que produits d'expriences dans lesquelles le graphite a t vaporis l'aide d'un laser, travail pour lequel RF Curl, Jr., RE Smally, et HW Kroto ont partag en 1996 le prix Nobel de chimie. Les fullernes ont t dcouverts depuis dans la nature la suite de coups de foudre, dans les rsidus produits

par les lampes arc de carbone, dans la poussire interstellaire, et dans les mtorites. La chimie des fullernes consiste substituer des atomes de mtal pour un ou plusieurs atomes de carbone dans la molcule produire des composs appels fullernes. On trouve gnralement les fullernes sous forme de films, qui sont la ralisation de fullernes dops par un mtal alcalin et supraconducteurs (transition au potassium dop une temprature de 18K, transition au rubidium dop 30K). Les fullernes ont galement t utiliss pour produire de petits diamants. La recherche en fullerne devrait conduire de nouveaux matriaux, les lubrifiants, les revtements, les catalyseurs, les dispositifs lectro-optiques, dans les domaines de la mdecine, de la biologie, et de llectronique. c - Prismane C8 Comme nous l'avons vu prcdemment, les fullernes sont des nanocarbones en forme de "cage". Le prismane n'est autre que le plus petit membre des lments de ce groupe. Pour le moment, son existence n'est que thorique mais les scientifiques ont bon espoir de pouvoir lobserver exprimentalement dans un avenir proche de part la grande stabilit de ce compos. Cette nouvelle forme allotropique du carbone est actuellement un sujet de recherche fondamentale, base sur un lment non polaris.

StructureLe prismane est un prisme base triangulaire comportant six atomes de carbone ses sommets auxquels viennent s'ajouter deux autres atomes de carbone, l'un centr sur la face suprieure, l'autre sur la face infrieure.

Proprits Son nergie de liaison a t calcule 5.1 eV/atome, c'est dire, 0.45 eV/atome en moins que l'nergie de liaison d'un groupe stable en 1D de 8 atomes et 2.3 eV/atome en dessous de l'nergie de liaison du graphite ou diamant. Cette spcificit est issue de la prsence dangles droits au sein mme de sa structure (voir Fig1), la diffrence des 109,5 pour une structure carbone ttrahdrique. Les ensembles mtastables* de prismane C8 accumulent une grande quantit d'nergie (plusieurs eV/atome) qui pourrait tre libre par la fusion d'un grand nombre de prismanes.

Une hybridation des orbitales atomiques

ApplicationsAux vues des proprits prcdentes, de tels ensembles peuvent tre considrs comme des candidats aux matriaux de haute densit nergtique. Cela fait du prismane un lment prometteur pour un combustible.

*Mtastable : proprit pour un tat dtre stable cintiquement thermodynamiquement. Peut-tre rsum par instable mais durable.

mais

pas

B- NanomousseLe carbone possde d'autres formes allotropiques. La nanomousse en fait partie. Elle a t dcouverte en 1997 par A. Rode et son quipe de l'Universit Nationale Australienne de Canberra, en collaboration avec l'Institut Physico Technique Ioffe de St Ptersbourg.

StructureLa nanomousse est forme d'un assemblage alatoire de groupes de carbone ayant chacun des diamtres de 6 9 nanomtres. Il en rsulte une structure spongieuse de faible densit (2 mg.cm-3).

PropritsLa nanomousse est semi-conductrice sur une bande 0,5 0,7 lectronvolts. De plus, cette forme allotropique du carbone possde un fort moment magntique temprature ambiante. Celui-ci disparait quelques heures aprs la synthse du matriau. Par contre, sa temprature de Curie est de 90 Kelvins.

ApplicationsDe nos jours, il n'y a encore aucune application certifie de la nanomousse.

Nanomousse de carbone

Les inventeurs de ce matriau pensent que de petits groupes ferromagntiques de nanomousse pourraient tre injects dans le systme sanguin afin d'amliorer la qualit des IRM (Imagerie par Rsonances Magntiques). Un autre domaine d'application envisag est la magnto-lectronique.

IV- Carbone linaire

Figure 1: Shma d'une chaine carbynique La carbyne est une forme allotropique du carbone compos datomes de carbone sp-hybrids. La carbyne peut s'obtenir de deux faons, soit par modification haute temprature et haute pression de solides base carbons, ou par raction chimique visant liminer les atomes lis la chaine carbonique. La carbyne est constitue d'une chaine d'atomes de carbone issue des une structure carbone de polyynes - triples liaisons atomiques (Figure 2: (I) ) ou de polycumulnes - doubles liaisons atomiques (Figure 2: (II) ) qui sont des chaines linaires de carbone.

Figure 2: Chaine Polynne et chaine Polycumulne Le carbyne tait considre jusquen 1961 comme une forme allotropique artificielle du carbone. Mais il apparait que lon peut trouver cet lment ltat naturel suite limpact de mtorites, et il a t reconnu que ces chaines linaires sont prsentes dans les nuages interstellaires. Cependant, les chaines polynnes et polcumulnes tant fortement ractive l'oxygne et l'eau, le taux prsence dans un environnement naturel reste trs faible. Pour les plus longues chaines ralises, la carbyne peut tre constitue de 44 atomes de carbones auxquelles s'ajoutent des groupements terminaux aux extrmits (Figure 3)

Intrts

Figure 3: Chaine n-carbynique avec groupements terminaux (n44)

Bien que les nanotubes aient la rputation dtre les fibres les plus solides, les chanes linaires telles que les carbynes sont davantage rsistantes du fait de la gomtrie optimale pour supporter les efforts de traction, puisque tous les atomes sont aligns de faon rectiligne. Ces proprits offrent de larges intrts en ingnierie, mais linstabilit des

polyynes et des polycumulnes en laboratoire ramnent ces tudes ltat de mthodes explorative de conservation du matriau.