Le carbone est un élément chimique (symbole C) que l'on associe souvent au charbon et plus rarement au diamant. C'est aussi l'élément de base de la chimie du vivant... C'est le sixième élément le plus abondant dans la voie lactée (0,5 %)et le 14ème dans la lithosphère (300 ppm). C'est surtout le deuxième en termes d'abondance dans le corps humain (18%). Rappelons que celui-ci est composé d'eau à 65/70%.

Caractéristiques physicochimiques

Le carbone est un élément de la deuxième rangée du tableau périodique des éléments. Il possède 6 électrons.

Il existe deux isotopes stables du carbone : le ¹²C (plus de 98,5 % de la quantité totale de carbone sur Terre) et le ¹³C. Le ¹⁴S a une demi-vie de 5730 ans. Comme la proportion de ¹⁴C est constante dans l'atmosphère, la teneur en carbone 14 permet de dater la date d'enfouissement des matières organiques.

Le carbone existe dans la nature à l'état solide. Les formes allotropes du carbone sont le graphite (superposition de feuillets de maille hexagonale) ou le diamant (réseau cubique à faces centrées). Récemment, on a réussi à isoler les feuillets du graphite (graphène). On a également réussi à créer des surfaces fermées monocouches dont la maille peut être pentagonale, hexagonale ou heptagonale. On appelle ce type de molécule des fullerènes. Le buckminsterfullerène par exemple est composé de 12 pentagones et 20 hexagones (structure identique à un ballon de football). Le carbone se sublime à 3825°.

Le potentiel d'ionisation du carbone est de 11,22 eV et son électronégativité est de 2,55. Cette électronégativité « moyenne » fait qu'il peut être donneur ou accepteur d'électrons. Son nombre d'oxydation peut varier de -4 dans le cas du méthane CH₄ à +4 dans le cas du dioxyde de carbone CO₂.

La configuration électronique de la bande de valence du carbone est 2s², 2p² ce qui en fait un élément tétravalent. Dans ce cas, les orbitales du carbone peuvent adopter différentes configurations hybrides : sp³ dans le cas du méthane, sp² dans le cas de l'ion carbonate CO₃^2-, sp dans le cas du dioxyde de carbone CO₂ ou du cyanure d'hydrogène HCN. (Dans ce dernier, la liaison triple entre la carbone et l'azote met en jeu l'une des orbitales sp et les deux orbitales p_y et p_z.)

Il existe également des molécules dans lesquelles le carbone est bivalent. On appelle ces composés chimiques des carbènes.

La dimension réduite du carbone lui permet d'entretenir de nombreuses liaisons simples ou multiples.

Oxydes de carbone

Il existe différents oxydes de carbone. Les plus connus sont le monoxyde de carbone CO et le dioxyde de carbone CO₂.

Le monoxyde de carbone est en fait le représentant le plus stable de la famille des monoxydes de carbone dont la formule générique est C_nO. Le monoxyde de carbone est u gaz toxique qui résulte de la combustion incomplète du carbone ou de la dissociation du CO₂ en présence de carbone à haute température. La molécule CO est très similaire à celle du diazote N₂ : même nombre d'électrons, même nombre de protons et même nombre de neutrons ! Et, de fait, le carbone et l'oxygène vont développer entre eux le même type de liaisons que les atomes d'azote, c'est-à-dire une liaison triple. Ceci n'est possible que dans la mesure où il y a un rééquilibrage du nuage électronique entre l'oxygène et le carbone. En pratique, cela conduit à la création d'un dipôle électrique puisque le carbone va être porteur d'une charge électrique partielle négative et l'oxygène d'une charge électrique partielle positive. La logique des orbitales moléculaires prend donc ici le pas sur celle relevant du caractère électronégatif de ces atomes (l'oxygène est plus électronégatif que le carbone).

Le monoxyde de carbone est un gaz réducteur. Il est utilisé en sidérurgie pour réduire les oxydes de fer, comme la wustite FeO, et produire de l'acier :

Le monoxyde de carbone peut être réduit par le dihydrogène pour former du méthane CH₄ :

Revenons à la configuration électronique de la molécule et plus particulièrement à celle des atomes qui la constitue. Nous avons vu qu'il y avait symétrisation des orbitales. L'oxygène « perd » un électron, ce qui lui permet d'entretenir une liaison triple avec le carbone qui l'a récupéré. Sa bande de valence est donc complète. Elle comporte trois orbitales moléculaires partagée avec l'oxygène et une paire d'électrons « non liants » qui constituent la quatrième orbitale. Cette paire d'électrons non liants fait du monoxyde de carbone un parfait ligand. Il intervient dans toute une série de complexes métalliques comme le tétra carbonyle de nickel Ni(CO)₄ ou le penta carbonyle de fer Fe(CO)₅.

Tout comme le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone CO₂ est l'élément le plus stable d'une famille plus vaste, celle des dioxydes de carbone de formule générique OC_nO. La molécule de dioxyde de carbone est une molécule linéaire dans laquelle les orbitales du carbone sont hybridées sp ce qui permet deux doubles liaisons C=O. Nous n'insisterons pas sur le dioxyde de carbone : un post entier lui est consacré. Le dioxyde de carbone est soluble dans l'eau sous forme d'acide carbonique H₂CO₃. L'ion carbonate CO₃^2- intervient dans de très nombreux minéraux, à commencer par le carbonate de calcium CaCO₃ et le carbonate de magnésium MgCO₃ qui constituent l'essentiel des falaises calcaires. Un post lui est également consacré. L'ion hydrogénocarbonate HCO₃^- est une forme intermédiaire entre l'acide carbonique et l'ion carbonate. On le connait aussi sous le nom de bicarbonate.

Il existe aussi des oxydes de carbone cycliques de type polycétone (formule générique C_nO_n). Ils sont composés de cycles carbone dont chaque atome est porteur d'un groupe cétone -C(=O)-. Ils sont très instables. Citons enfin à titre de curiosité le tétroxyde de carbone CO₄. Dans cette molécule très instable le carbone est porteur d'une liaison double C=O et de deux liaisons simples C-O. Le quatrième atome d'oxygène forme un pont entre les deux atomes d'oxygène reliés par une liaison simple.

Hydrocarbures

Les hydrocarbures sont des composés chimiques composés uniquement d'atomes de carbone et d'atomes d'hydrogène. On dit d'un hydrocarbure qu'il est saturé lorsque toutes ses liaisons chimiques sont simples. Il est dit insaturé dans le cas contraire. Un hydrocarbure est dit linéaire si chaque atome de carbone n'est relié qu'à un ou deux autres atomes de carbone et si la chaîne ainsi formée n'est pas bouclée. Il est dit ramifié si un même atome de carbone de la chaîne est relié à plus de deux autres atomes. Il est dit cyclique si la chaîne comporte au moins une boucle. Un hydrocarbure cyclique est dit aromatique si le cycle (ou l'un des cycles) repose sur une liaison pi délocalisée. Le benzène C₆H₆ est l'exemple type des molécules aromatiques. Un hydrocarbure est dit alicyclique dans le cas contraire.

Les hydrocarbures saturés à chaîne ouverte ou ramifiée sont des alcanes. Leur formule générique est C_nH_2n+2. Parmi les alcanes, le méthane CH₄, l'éthane C₂H₆, le propane C₃H₈ et le butane C₄H₁₀ sont des gaz. Les alcanes possédant un nombre supérieur de carbone sont liquides, comme l'octane C₈H₁₈ qui est le composant principal de l'essence ou le dodécane C₁₂H₂₄ que l'on trouve dans le kérosène, ou encore des paraffines, visqueuses ou solides au-delà de C₁₈. Les alcanes peuvent se présenter sous plusieurs formes, notamment des formes ramifiées. Exemple : le 2,2 diméthyl propane C₅H₁₂ dont la formule semi-développée est C(CH₃)₄ (un atome de carbone central relié à quatre groupes méthyles); le 2-méthyl hexane C₇H₁₆ dont la formule semi-développée est CH₃-CH(CH₃)-CH₂- CH₂-CH₃.

Les cycloalcanes sont des alcanes formant un cycle et qui ont pour formule générique C_nH_2n. Exemple : le cyclopropane C₃H₆ ou le cyclohexane C₆H₁₂. La molécule des cycloalcanes n'est pas plane.

Les hydrocarbures linéaires insaturés comportant une liaison double sont des alcènes. Exemple : l'éthylène (appellation officielle éthène) C₂H₄ ou le butène C₄H₈ dont l'un des isomères a pour formule CH₂=CH-CH₂-CH₃. Le butadiène CH₂=CH-CH=CH₂ comporte quant à lui deux liaisons doubles. Ceux qui comportent une liaison triple sont des alcynes. Exemple : l'acétylène (ou éthyne) C₂H₂, le butyne C₄H₆.

Molécules organiques

Une molécule organique est une molécule dont la colonne vertébrale est composée par une chaîne d'atomes de carbone. Les hydrocarbures font partie des molécules organiques. On compte également au rang des molécules organiques un certain nombre d'autres familles de composés jouant un rôle important en chimie ou en biologie et auxquelles des posts spécifiques sont consacrés :

• les acides carboxyliques, et parmi eux les acides gras et les acides aminés,
• les alcools,
• les esters,
• les aldéhydes et les cétones,
• les oses (glucides),
• les bases azotées...

Ces composés sont caractérises par la présence de « groupes fonctionnels » comme le groupe carboxyle, le groupe carbonyle, les groupe amines... On se reportera au glossaire de chimie organique pour avoir une lite plus détaillée de ces groupes.

Les acides carboxyliques sont porteurs d'un groupe final carboxyle -C(=O)OH, comme l'acide butanoïque CH₃-CH₂-CH₂-C(=O)OH. Les acides gras sont des acides carboxyliques à chaîne aliphatique ou leurs dérivés. Une chaîne aliphatique est une chaîne ouverte ou comportant plusieurs cycles non aromatiques (alicycliques). Les acides gras sont classés dans la catégorie des lipides. Les acides aminés sont des acides carboxyliques qui comportent au moins un groupe amine. Exemple : la glycine C₂H₅NO₂ qu'on peut écrire sous la forme semi-développée C(NH₂)H₂-C(=O)OH.

Un alcool est une chaîne carbonée dont l'un des atomes de carbone est porteur d'un groupe hydroxyle -OH. Exemple : éthanol CH₃-CH₂(OH). L'éthanol est le composant des boissons alcoolisées. Un ester est le produit de la réaction d'un acide carboxylique sur un alcool. Exemple : le formiate de méthyle HC(=O)-O-CH₃.

Une chaîne carbonée porteuse d'un groupe carbonyle C(=O) est un aldéhyde si le carbone concerné est primaire (en bout de chaîne) ou une cétone s'il est secondaire. Exemple : formaldéhyde (appellation officielle méthanal) CH₂(=O), acétone (ou béta-cétopropane) CH₃-C(=O)-CH₃.

Un aldose est un poly hydroxylaldéhyde. C'est un aldéhyde dont tous les autres atomes de carbone sont porteurs d'un groupe hydroxyle. Dans le même ordre d'idées, une cétose est une poly hydroxycétone. Aldoses et cétoses sont des oses. La formule générique des oses est Cn(H2O)n. Exemple : le glucose C₆H₁₂O₆, ribose C₅H₁₀O₅. Les oses peuvent avoir une forme cyclique, comme le ribofuranose dans lequel l'oxygène du groupe cétone forme un pont entre le carbone 2 et le carbone 6. Le ribofuranose est l'élément de base des nucléotides. La saccharose (le sucre de table) C₁₂H₂₂O₁₁ est un dimère d'hexoses sous forme cyclique.

Ribofuranose en représentation topologique. Les atomes de carbone ne sont pas représentés, ils occupent l'extrémité des segments et leurs intersections quand elles ne sont pas occupées par un autre atome (comme ici l'oxygène). Des atomes d'hydrogène complètent la représentation pour assurer la tétravalence de ces atomes de carbone (un atome d'hydrogène pour les atomes de carbone à l'intersection de trois segments, deux pour l'atome de carbone à l'intersection de deux segments). Il y a donc 5 atomes de carbone et 6 atomes d'hydrogène non représentés.

Les bases azotées sont des hétérocycles (cycle carboné dont certains noeuds sont occupés par un atome autre qu'un atome de carbone) comportant des tomes d'azote et ayant un caractère basique. Le cycle de la pyrimidineC₄H₄N₂ par exemple est un hexagone dont les sommets 1 et 3 sont occupés par un atome d'azote. Dans le cas de la purineC₄H₄N₄ on a deux cycles accolés, un cycle pyrimidine et un cycle pentagonal imidazole. Il y a cinq bases azotées dites canoniques : l'adénine, la guanine, la thymine, la cytosine et l'uracile.

Les molécules organiques se prêtent bien à la olymérisation et sont à la base de nombreuses résines. Nous ne citerons que le polychlorure de vinyle, ou PVC, dont le monomère est -[CH₂-HCCl]-. Le vinyle est un composé qui a pour formule CH₂=HCA ou CH₂=HCR, A étant un atome et R une chaîne carbonée. Le chlorure de vinyle par exemple a pour formule CH₂=HCCl.

Composés organophosphorés, composés organosulfurés et composés organomagnésiens

Dans la multitude de composés organiques, certains sont caractérisés par la présence d'un ou de plusieurs hétéroatomes (atome non métallique comme l'azote, l'oxygène, le soufre ou le phosphore). Nous avons déjà évoqué le cas des bases azotées. Il existe bien d'autres molécules organiques azotées, caractérisées par la présence d'un groupe amineC-NR₂, imine C=NR, amide C(=O)-NR₂ ou nitrile (un atome d'azote relié par une liaison triple à un atome de carbone de la chaîne).

Remarque : dans ce paragraphe, le symbole R représente exclusivement une chaine carbonée prossédant une liaison carbone non affectée à l'une de ses extrémités (par exemple un groupe méthyle -CH₃). Dans le cas des amides ou d'autres composés cités plus bas, la notation R₂ n'implique pas nécessairement l'identité des deux chaînes.

Un composé organosulfuré est caractérisé par la présence d'un (ou plusieurs) atome(s) de soufre relié directement à un atome de carbone. Les thioéthers comportent une liaison C-S-C. Le gaz moutarde est un thioéther. Les thioesters sont des esters dans lesquels la liaison oxygène est remplacée par une liaison soufre : C(=O)-S-R. Les thiols sont assez similaires alcools aux alcools mais le groupe hydroxyle y est remplacé par un groupe sulfhydrile-SH. (méthanethiol : CH₃SH). Les acides sulfoniques RS(=O)₂OH sont des acides forts.

Un composé organophosphoré est caractérisé par la présence d'un (ou plusieurs) atome(s) de phosphore relié directement à un atome de carbone. Il s'agit principalement des phosphines |PR₃, phosphinites |PR₂OR et phosphonites |PR(OR)₂ et de leursformes oxydées P(=O)R₃, P(=O)R₂OR et P(=O)R(OR)₂. Les phosphites |P(OR)₃, phosphates P(=O)(OR)₃ ne sont pas à proprement parler des composés organophosphorés mais plutôt des esters de l'acide phosphorique avec un alcool.

Les organomagnésiens sont quant à eux des molécules organiques comportant un atome de magnésium relié directement à un atome de carbone.

Chimie du carbone et chimie du vivant

La chimie du carbone est particulièrement riche et versatile. Elle est à la base de la chimie du vivant (voir le post qui lui est consacré). Les protéines et les acides nucléiques sont des molécules organiques complexes. Les protéines sont des polymères d'acide alpha-aminés (groupe amine sur le carbone le plus proche du groupe acrboxyle). Les acides nucléiques sont des ribofuranoses (ou des désoxyribofuranoses) associés à des groupes phosphates et porteurs d'une base azotée. Ce sont les monomères de l'ADN et de l'ARN.

Carbène

Les carbènes sont des molécules organiques un peu à part. Elle comporte un atome de carbone divalent porteur d'un doublet non liant. Leur formule générique est RC=C|. Exemples : dichlorocarbène Cl₂C, cyclopropylméthylidène C=C₃H₄. Ils sont utilisés comme ligands ou comme intermédiaires réactionnels.

Remarque : dans une formule chimique, la barre verticale signale la présence d'un doublet non liant.