Carbone

 

 

 

Carbone

C (Z = 6)

 

15° élément le plus abondant de la planète Terre
et constituant essentiel de toutes les espèces vivantes

 

Le carbone a pour structure électronique (1s)2(2s)2(2p)2.

La structure électronique du dernier niveau d’énergie de l’atome de carbone comprend deux électrons appariés sur le niveau 2s et deux électrons célibataires sur le niveau 2p. L'état fondamental est donc un état triplet puisque l'état le plus stable dans le cas de deux électrons dans deux orbitales orthogonales est l'état de multiplicité de spin maximale, ici S=1 (première application de la "règle de Hund" quand on écrit la structure électronique des atomes).

Le carbone a quatre électrons de valence qui lui confèrent une chimie particulièrement riche. Il fait partie de la colonne 14 qui comporte également le silicium, le germanium, l'étain, le plomb et l'élément 114.

 Représentation de la structure électronique du carbone

 Ci-dessous Pour les seules liaisons carbone-carbone, on obtient divers allotropes du carbone.

L'élément Carbone peut se présenter sous des formes très différentes, selon la manière avec laquelle ses atomes sont liés entre eux ou "empilés".

  • Si l’empilement est effectué sans ordre, on obtient du carbone (dit) amorphe, ou charbon (ou houille s’il est impur), dont il existe de gigantesques gisements en Angleterre, en Allemagne, en Inde, en Chine, aux USA, etc.
  • Si l’empilement est effectué sur une base cubique, on obtient le diamant, qui est une pierre précieuse très recherchée. Les principales mines de diamant se trouvent en Afrique du Sud et au Nord du Canada. Le diamant est le minéral le plus dur qui existe. Si l’empilement est effectué sur une base hexagonale, on obtient une matière noire et tendre appelée graphite, qui sert à faire des mines de crayons noirs (du grec graphein, écrire). Il existe des mines de graphite en Inde.
  • Lorsque l'on parvient à isoler une monocouche de graphite, on obtient un matériau qui porte le nom de graphène. Sa structure et ses propriétés électroniques sont tout à fait exceptionnelles. Le prix Nobel de physique 2010 est allé à Andre Geim et Konstantin Novoselov de l'université de Manchester, "pour des expériences pionnières sur le matériau bidimensionnel graphene".
  • Si l’empilement est formé de longues chaînes linéaires d’atomes de carbone, on obtient des « fibres de carbone », dont l’origine est synthétique. et qui ont la propriété d’être très légères et plus résistantes à la traction que les fils d’acier.
  • Il existe une autre variété de carbone, découverte récemment, le fullerène, qui se trouve en petite proportion dans la suie. Elle est constituée de 60 atomes de carbone formant un polyèdre (icosaèdre) semblable à un ballon de football. Sa découverte en 1985 par Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley, a valu le prix Nobel de chimie en 1996 à ces trois chercheurs. Bien d'autres formes moléculaires C70, etc. ont été depuis mises en évidence.
  • L'enroulement d'une ou plusieurs feuilles de graphène peut donner naissance à des nanotubes de carbone, qui ont également des propriétés électroniques très remarquables.

 

La liaison carbone-carbone, simple, double, triple est à la base de toute la chimie organique et l'une des clefs de compréhension du vivant. C'est pour avoir mis au point de nouvelles méthodes de création de liaison carbone-carbone que Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi and Akira Suzuki ont reçu le prix Nobel de Chimie 2010.

La structure tétraédrique du carbone ouvre la porte à toute une chimie, d'importance certes considérable, en particulier celle des polymères et CFC, mais l'analyse des sites présentés ci-après se limite aux édifices de carbone pur et aux propriétés spécifiques des isotopes 13C et 14C qui sont d'extraordinaires outils de datation dans l'histoire de la planète et de l'humanité.

C'est pour cette raison que nous n'abordons pas non plus les discussions actuelles sur le réchauffement climatique, les gaz à effet de serre, le rôle du dioxyde de carbone car, par une approximation de vocabulaire, le mot "carbone" est souvent utilisé abusivement pour son dioxyde (taxe "carbone", etc.)

Sitographie

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