Le Carbone, élément atomique n°6 de symbole C : ses généralités, son histoire, ses isotopes, son corps simple, ses composés et ses dangers.

L’élément carbone

Après avoir vu le carbone et son parcours dans le temps, il est maintenant temps de découvrir ce qui en fait un élément.

Formation

Il est important de noter que l’élément carbone n’a pas directement vu le jour grâce à la nucléosynthèse primordiale, plus communément appelée « Big Bang ». En effet, les conditions qui devaient assurer sa formation n’étaient pas au rendez-vous. En d’autres termes, le refroidissement ainsi que la dilatation de l’univers ont été trop rapides. En revanche, il est produit en quantités importantes dans les étoiles très massives de la branche horizontale dans laquelle trois noyaux d’hélium fusionnent. On parle ici de réaction triple alpha.

En ce qui concerne la Terre, le carbone y est présent depuis la formation de la planète. On le retrouve sous la forme de sédiments tels que le charbon et le pétrole ou sous forme pure comme le diamant et le graphite. Il est important de noter que les diamants naturels peuvent se trouver au niveau des cheminées d’anciens volcans, dans la kimberlite de ceux-ci. Cela se remarque dans l’Arkansas et en Afrique du Sud notamment. Certaines météorites peuvent également contenir des diamants microscopiques.

Isotopes et masse atomique

Dans la nature, le carbone est caractérisé par la présence de deux isotopes stables :

• le carbone 12 ou ¹²C, dont l’abondance correspond à 98,93 % et qui est considéré comme nucléide de référence unique pour la masse atomique 12.
• Le carbone 13 ou ¹³C, qui est abondant à 1,07 %.

Notons que la masse atomique du carbone (de 12,010 7) est supérieure à la valeur de 12. Cela est dû à la présence de l’isotope ¹³C.

En outre, le carbone dispose également de deux radio-isotopes. L’un d’eux est le carbone 14 ou ¹⁴C qui correspond à une période radioactive de 5 730 ans. On l’utilise de manière courante dans l’archéologie pour la datation d’objets pouvant atteindre l’âge de 50 000 ans. Dans le futur, le carbone 14 sera inutile pour les archéologues qui feront leurs recherches sur notre civilisation actuelle. En effet, les explosions thermonucléaires depuis les années 1960 dans l’atmosphère ont résulté des excès radioactifs très importants.

Le second radio-isotope est le carbone 11 ou ¹¹C qui possède une période de 20 minutes. On l’utilise en médecine nucléaire en tomographie à émission de position notamment. Cela est dû à sa courte période et à la simplicité de substitution d’un atome de ¹¹C à un atome de ¹²C plus stable. Il faut noter que les radiotraceurs les plus employés de nos jours sont :

• le ¹¹C-Raclopride se fixant de préférence sur les récepteurs dopaminergiques D2 ;
• le ¹¹C-Acétate employé dans le domaine de l’imagerie cardiaque.

Il s’agit d’éléments indispensables dans la médecine de notre époque.

Structure électronique

Le carbone adopte une configuration électronique à son état fondamental 1s² 2s² 2p². Il dispose de six électrons, dont quatre au niveau de sa couche de valence. Cette caractéristique lui donne la possibilité de former des liaisons covalentes de type σ ou de type π. Notons que les liaisons de type π s’accompagnent toujours d’une liaison de type σ.

Le diamant

Le diamant est une forme de carbone cristalline très recherchée dans le monde. Grâce à la résistance des liaisons carbone-carbone, et au même titre que le nitrure de bore, le diamant est une matière quasiment impossible à rayer. Sa métamorphose en graphite est possible dans un environnement à température ambiante, mais est pratiquement indécelable du fait de la lenteur du processus. En outre, dans des conditions spécifiques, le carbone peut cristalliser et se transformer en lonsdaléite. Il s’agit d’une forme qui se rapproche de celle du diamant, mais de structure hexagonale. Parmi toutes les pierres précieuses qui existent, seul le diamant se consume complètement.

Outre le graphite pur sp² et le diamant pur sp³, le carbone peut se présenter sous une forme amorphe et très désordonnée. On parle ici de l’a-C qui se caractérise par un composé de sites à trois liaisons (graphite) ou à quatre liaisons (diamant). Pour la fabrication de cette matière, il existe de nombreuses méthodes. On peut, par exemple, citer l’évaporation par faisceau d’électrons, la pulvérisation, le dépôt à l’arc électrique ou encore l’ablation laser, entre autres. Par ailleurs, c’est en 2019 que la molécule cyclique C₁₈ pure sp¹ a été synthétisée. Cela a été réalisé par élimination des groupes CO dans l’oxyde C₂₄O₆.

Les nanotubes de carbone

Il est aussi important de savoir que les oignons de carbone sont des structures de type fullerène. Cependant, leur paroi se compose de plusieurs couches de carbone. Pour ce qui est de ces formes cylindriques, celles-ci sont appelées « nanotubes » ou nanotube de carbone, dont l’abréviation est : NTC. Elles ont été découvertes pendant la synthèse de fullerènes au niveau du culot qui se forme sur la cathode de l’arc électrique.

Il s’agit d’objets de taille nanométrique ayant une longueur au millimètre. Ils ressemblent à des plans de carbone d’épaisseur monoatomique qui s’enroulent sur eux-mêmes, formant un tube de diamètre nanométrique. Notons que les nanotubes qui disposent d’une paroi constituée d’un unique plan de carbone sont appelés « monofeuillets ». Celles qui sont définies en tant que « multifeuillets » sont réalisées selon la méthode de l’arc électrique.

Le graphène, quant à lui, est composé par un unique plan de carbone qui dispose d’une épaisseur monoatomique. On peut l’obtenir très simplement en prélevant un plan de carbone sur un cristal de graphite.

Composés du carbone

Nous avons vu que le carbone est un élément essentiel des composés organiques qui disposent au moins une liaison carbone-hydrogène. On sait de même qu’il existe aussi sous une forme inorganique, en tant que dioxyde de carbone principalement. On le retrouve également sous une forme minérale.

Le carbone organique

Il faut savoir que la chimie du carbone est de nature covalente. Il se présente comme la base d’un certain nombre de composés qui disposent d’un nombre d’atomes importants. Cela n’est néanmoins possible que lorsqu’il est associé par liaisons simples, doubles ou triples avec :

• l’hydrogène ;
• l’oxygène ;
• l’azote ;
• le phosphore ;
• le soufre ;
• les halogènes ;
• les métaux.

La chimie organique est donc constituée par la synthèse et l’étude de ces composés. Les principaux sont les hydrocarbures. Il s’agit de molécules qui combinent à la fois l’hydrogène et le carbone. Il en existe trois familles, à savoir :

• les alcanes, où des liaisons simples sp³ sont formées par le carbone : éthane C₂H₆, méthane CH₄,… ;
• les alcènes, où des liaisons doubles sp² sont formées par le carbone : éthène (éthylène) C₂H₄, propène C₃H₆,… ;
• les alcynes, où des liaisons triples sp sont formées par le carbone : éthyne (acétylène) C₂H₂, propyne C₃H₄,… ;

On comprend donc que les liaisons nombreuses peuvent se former.

En fonction du nombre d’atomes de carbone, les suffixes –ane, -ène ou –yne doivent être précédées de :

1. méth- ;
2. éth- ;
3. prop- ;
4. but- ;
5. pent- ;
6. hex- ;
7. hept- ;
8. oct- ;
9. non- ;
10. déc-.

On sait aussi qu’autour des liaisons simples carbone-carbone, la rotation est libre. Cependant, la rigidité est de mise au niveau des liaisons doubles ou triples. Ainsi, la liaison double se présente comme planaire et les angles de liaison autour des atomes de carbone sont égaux à 120°. La formation de diastéréomères est donc possible. Cela signifie que les composés disposent d’une même formule chimique, mais que la disposition des atomes dans l’espace diffère. Pour la liaison triple, on parle de linéarité.

Par ailleurs, le carbone sp³ est capable de créer des composés dits « chiraux ». On peut, par exemple, parler du cas le plus simple du composé formé de quatre substituants divers autour d’un atome de carbone. En fonction de la disposition de ceux-ci dans l’espace, les deux molécules qu’on obtient sont différentes. En effet, elles ne peuvent pas être superposables. On parle d’une paire d’énantiomères. Il s’agit d’une image de l’un et de l’autre dans un miroir, un peu comme nos deux mains.

En ce qui concerne les hydrocarbures aromatiques, des cycles ou des noyaux stabilisés par des liaisons π délocalisées sont formés par les atomes de carbone.

Le carbone inorganique

Il s’agit d’un genre d’atome de carbone plutôt rare comparé aux versions dites « organique » et « minéral ». On le rencontre le plus souvent sous la forme de complexes organométalliques ou inorganiques. Dans leurs sphères de coordination, ceux-ci comptent une molécule de CO ou de CO₂ ou un atome de carbone nu. On peut alors voir :

• C dans le complexe [Fe₅C(CO)₁₅] et [Ru₆C(CO)₁₇] ;
• CO dans les complexes de type Ni(CO)₄ ou Fe(CO)₅ ;
• CO2 dans [Ni(CO₂){P(C₆H₁₁)₃}₂]_0,75C₆H₅Me.

Il faut noter que ces complexes sont donnés à titre d’exemple.

Le carbone minéral

Dans l’atmosphère terrestre, la molécule de CO₂ ou dioxyde de carbone se présente à l’état gazeux. Une quantité spécifique de cet élément est dissoute dans les eaux continentales et océaniques. Une autre partie dissoute entre en réaction avec la molécule d’eau afin de créer de l’acide carbonique H₂CO₂. La réaction est donc : H₂O + CO₂ (dissous) = H₂CO₃.

On compte également l’H₂CO₃ ou dihydrogénocarbonate qui est un diacide. Celui-ci libère des protons dans le cadre des constantes d’acidité des couples acido-basiques (H₂CO₃/HCO₃⁻) et (HCO₃⁻/CO₃²⁻). Il y a également la composition en solutés acido-basiques de l’eau par rapport aux équations : H₂CO₃ + H₂O ⇔ HCO₃− (ion hydrogénocarbonate, ou bicarbonate) + H3O+ (ion hydronium, ou proton hydraté) et HCO₃⁻ + H₂O ⇔ CO₃²⁻ (ion carbonate) + H₃O⁺.

Cependant, dans l’eau de mer, cet assemblage de carbonates est présent dans de grandes proportions. C’est donc la raison pour laquelle l’eau océanique est aussi riche en acidité avec un pH 8, 1-8,4 et stable. On parle ici d’un taux de carbonates et de borates qui s’appelle l’alcalinité.

Dangers du carbone et de ses composés

Dans sa forme pure, le carbone n’a qu’une faible toxicité pour les humains. On peut le manipuler et l’ingérer sans danger lorsqu’elle est sous forme de charbon de bois ou de graphite. Il dispose d’une résistance prouvée contre l’attaque chimique ou la dissolution. D’ailleurs, le charbon issu de noix de coco est employé dans la médecine. Le disulfure de carbone CS₂, quant à lui, est hautement toxique. On l’utilise comme solvant dans la vulcanisation du caoutchouc. En ce qui concerne le monoxyde de carbone, celui-ci est un gaz incolore et inodore. Il se forme suite à la combustion incomplète de composés organiques ou de carbone pur. En cas d’ingestion, il se lie à l’hémoglobine sanguine et forme de la carboxyhémoglobine. Cela entraîne l’empoisonnement des molécules d’hémoglobine. Une réaction pouvant être mortelle.