Carbone et carbures : une comparaison complète

Le carbone, élément fondamental, est à la base d'innombrables matériaux, dont le diamant et le graphite. Sa polyvalence s'étend à la formation de carbures, des composés aux propriétés distinctes.

Cet article de blog explore les différences entre le carbone et ses divers allotropes et carbures. Nous examinerons en détail leurs caractéristiques, notamment la dureté, la stabilité thermique, la conductivité électrique, la réactivité chimique et les propriétés magnétiques, en fournissant une comparaison complète pour les professionnels du secteur.

Qu'est-ce que le carbone

Le carbone est un élément chimique non métallique de symbole C et de numéro atomique 6. Il est le quatrième élément le plus abondant dans l'univers en termes de masse après l'hydrogène, l'hélium et l'oxygène. Le carbone est très polyvalent en raison de sa capacité à former des liaisons covalentes stables avec lui-même et avec d'autres éléments, ce qui donne lieu à une vaste gamme de composés.

Allotropes du carbone

Diamant

Le diamant est un allotrope métastable du carbone où chaque atome de carbone est lié de manière covalente à quatre autres dans un arrangement en réseau tétraédrique, ce qui donne une structure cristalline très rigide.

Graphite

Le graphite est la forme de carbone la plus stable dans des conditions normales. Il présente une structure plane et stratifiée dans laquelle chaque atome de carbone est lié de manière covalente à trois autres dans un réseau hexagonal, formant des feuilles appelées graphène.

Fullerènes et nanotubes

Les fullerènes sont des allotropes composés d'atomes de carbone disposés en une maille fermée ou partiellement fermée, généralement sous la forme d'une sphère creuse, d'un ellipsoïde ou d'un tube. Le premier fullerène découvert et le plus célèbre est le buckminsterfullerène (C₆₀), une molécule sphérique creuse ressemblant à un ballon de football.

Les nanotubes de carbone sont des fullerènes cylindriques dont le rapport d'aspect dépasse souvent 1 000 000. Ils peuvent être monoparois avec un diamètre proche de 1 nm ou multiparois constitués de plusieurs tubes concentriques.

Que sont les carbures

Les carbures sont des composés composés de carbone et d'un élément moins électronégatif, généralement un métal. Dans les carbures, le carbone présente généralement des états d'oxydation négatifs, souvent -4. La taille relativement petite des atomes de carbone permet une insertion extensive dans les réseaux cristallins des métaux.

Les carbures se caractérisent par une dureté élevée, des points de fusion élevés et de bonnes conductivités thermiques et électriques par rapport au métal de base. Ces propriétés proviennent de la forte liaison entre les atomes de carbone et de métal.

Types de carbures

Les carbures peuvent être classés en trois grandes catégories en fonction de la nature de leur liaison : ionique (de type sel), covalente et interstitielle (métallique).

Carbures ioniques (de type sel)

Des carbures ioniques ou de type sel se forment entre le carbone et des éléments hautement électropositifs tels que les métaux alcalins et alcalino-terreux. La liaison est caractérisée par le transfert d'électrons du métal au carbone, ce qui donne naissance à des ions maintenus ensemble par des forces électrostatiques. En voici quelques exemples :

Carbure de calcium (CaC₂) : utilisé dans la production d'acétylène et de cyanamide calcique. Réagit avec l'eau pour produire du gaz d'acétylène.
Carbure de magnésium (Mg₂C₃) : également utilisé dans la production d'acétylène. Réagit avec l'eau plus vigoureusement que le CaC₂.

Les carbures ioniques sont généralement instables et réactifs en raison de la charge négative élevée des atomes de carbone. Ils se décomposent dans l'eau et diluent les acides pour produire des hydrocarbures.

Carbures covalents

Les carbures covalents se forment entre le carbone et des éléments moins électropositifs ayant des électronégativités similaires, comme le silicium, le bore et le tungstène. La liaison implique le partage d'électrons de manière covalente, ce qui donne des composés ayant un degré élevé de caractère covalent. En voici quelques exemples :

Carbure de silicium (SiC) : Connu sous le nom de carborundum, il est utilisé comme abrasif et dans les céramiques à haute température en raison de sa dureté et de sa stabilité thermique.
Carbure de bore (B₄C) : l'un des matériaux les plus durs connus, utilisé dans les blindages de chars, les gilets pare-balles et les abrasifs.
Carbure de tungstène (WC) : utilisé dans les outils de coupe, les abrasifs et les pièces résistantes à l'usure en raison de sa dureté et de sa ténacité élevées.

Les carbures covalents ont généralement des points de fusion, une dureté et une stabilité chimique élevés. Ils sont des semi-conducteurs ou des isolants en raison de l'absence d'électrons libres.

Carbures interstitiels (métalliques)

Les carbures interstitiels ou métalliques se forment lorsque des atomes de carbone s'insèrent dans les interstices d'un réseau métallique, souvent de métaux de transition. La petite taille du carbone permet une insertion étendue sans perturber de manière significative le réseau métallique. En voici quelques exemples :

Le carbure de fer (Fe₃C), connu sous le nom de cémentite, est un composant clé des aciers et des fontes, contribuant à leur dureté.
Le carbure de titane (TiC) est utilisé dans les outils de coupe et les revêtements résistants à l'usure en raison de sa dureté élevée et de sa stabilité thermique.
Le carbure de tungstène (WC) est également un carbure interstitiel, bien qu'il présente des caractéristiques de liaison covalente.

Les carbures interstitiels présentent une liaison mixte, avec une combinaison de composants covalents, ioniques et métalliques. Ils se caractérisent par une dureté élevée, des points de fusion élevés et de bonnes conductivités électrique et thermique.

Quelles sont les principales différences entre les carbures ioniques, interstitiels et covalents

Les principales différences entre les carbures ioniques, interstitiels et covalents résident dans leur nature de liaison, qui dicte leur structure et leurs propriétés :

Collage

Les carbures ioniques présentent un transfert d'électrons du métal au carbone, ce qui entraîne une attraction électrostatique entre les ions.
Les carbures covalents présentent un partage d'électrons entre le carbone et l'autre élément, formant des liaisons covalentes directionnelles.
Les carbures interstitiels présentent un mélange de liaisons covalentes, ioniques et métalliques, avec des atomes de carbone insérés dans le réseau métallique.

Structure

Les carbures ioniques ont une structure semblable à celle d'un sel avec des cations et des anions alternés.
Les carbures covalents ont une structure covalente en réseau avec de fortes liaisons directionnelles.
Les carbures interstitiels maintiennent la structure cristalline du métal parent avec du carbone dans les sites interstitiels.

Stabilité

Les carbures ioniques sont généralement instables et réactifs, se décomposant dans l’eau et les acides dilués.
Les carbures covalents sont chimiquement stables et inertes en raison d'une forte liaison covalente.
Les carbures interstitiels ont une stabilité chimique modérée à bonne.

Propriétés électroniques

Les carbures ioniques sont des isolants en raison de l'absence d'électrons libres.
Les carbures covalents sont des semi-conducteurs ou des isolants selon leur bande interdite.
Les carbures interstitiels sont des conducteurs métalliques en raison de la présence d'électrons libres.

Propriétés physiques

Les carbures ioniques ont une dureté et des points de fusion inférieurs à ceux des carbures covalents et interstitiels.
Les carbures covalents ont une dureté très élevée, des points de fusion élevés et de faibles conductivités électrique et thermique.
Les carbures interstitiels ont une dureté élevée, des points de fusion élevés et de bonnes conductivités électriques et thermiques.

Différence entre le carbone et les carbures

Dureté et résistance à l'usure

Le carbone pur, sous forme de graphite, a une dureté relativement faible de 0,5 à 1 sur l'échelle de Mohs. En revanche, les carbures présentent généralement des valeurs de dureté beaucoup plus élevées. Par exemple, le carbure de tungstène (WC) a une dureté de 9 à 9,5 sur l'échelle de Mohs, ce qui en fait l'un des matériaux les plus durs connus.

Stabilité thermique et points de fusion

Le graphite, la forme de carbone la plus stable dans des conditions normales, se sublime à 3 642 °C (6 588 °F) sans fondre. En revanche, les carbures ont généralement des points de fusion élevés mais inférieurs à celui du graphite. Par exemple, le carbure de titane (TiC) a un point de fusion de 3 160 °C (5 720 °F), tandis que le carbure de silicium (SiC) fond à 2 730 °C (4 946 °F).

Conductivité électrique

Le graphite est un excellent conducteur électrique en raison de ses électrons π délocalisés, qui permettent un mouvement aisé des électrons. Sa conductivité électrique est d'environ 3 x 10^5 S/m. En revanche, la plupart des carbures sont des semi-conducteurs ou des isolants. Par exemple, le carbure de silicium (SiC) a une conductivité électrique d'environ 10^-6 à 10^3 S/m.

Réactivité chimique

Le carbone, notamment sous forme de graphite, est relativement inerte et résistant aux attaques chimiques à température ambiante. Cependant, il peut s'oxyder à haute température et former du dioxyde de carbone. Les carbures, en revanche, ont des réactivités chimiques variables selon leur type. Les carbures de type sel, comme le carbure de calcium (CaC2), sont très réactifs avec l'eau, produisant du gaz acétylène inflammable. Les carbures covalents, comme le carbure de silicium (SiC), sont généralement plus inertes chimiquement et résistants à l'oxydation en raison de la forte liaison covalente entre les atomes de carbone et de silicium.

Propriétés magnétiques

Le carbone pur, sous toutes ses formes allotropiques, est diamagnétique, ce qui signifie qu'il présente une faible répulsion en présence d'un champ magnétique externe. En revanche, certains carbures, notamment les carbures de métaux de transition, peuvent présenter des propriétés magnétiques. Par exemple, le carbure de fer (Fe3C), également connu sous le nom de cémentite, est ferromagnétique, ce qui signifie qu'il peut être magnétisé et attiré par les aimants. Cette propriété résulte de la présence d'atomes de fer dans la structure du carbure.

FAQ

Comment sont synthétisés les carbures ?

Les carbures sont généralement synthétisés par des réactions à haute température. Les méthodes courantes incluent la réaction directe d'un élément avec du carbone, ou la réaction d'un oxyde métallique avec du carbone dans un four à arc électrique, comme dans la production de carbure de calcium (CaC₂) à partir de chaux (CaO) et de coke à environ 2000°C.

Les carbures peuvent-ils être recyclés ?

Oui, de nombreux carbures peuvent être recyclés. Le carbure de tungstène, par exemple, est souvent recyclé en raison de sa valeur élevée et de sa rareté. Le processus de recyclage implique des traitements chimiques ou la fusion du zinc pour récupérer le tungstène et le cobalt à partir de déchets de carbure cémenté, ce qui permet de récupérer plus de 80% de matériaux.

Le carbone et les carbures peuvent-ils être utilisés ensemble dans la même application ?

Absolument. Dans les matériaux composites, les fibres de carbone sont souvent combinées à des revêtements en carbure pour améliorer les propriétés. Par exemple, les composites en carbure de silicium renforcé de fibres de carbone (C/SiC) sont utilisés dans les disques de frein hautes performances, bénéficiant de la résistance du carbone et de la résistance à l'usure du carbure de silicium.