Objectif d’apprentissage
- Discuter des propriétés du carbone.
Points clés
- Le carbone a plusieurs allotropes, ou différentes formes sous lesquelles il peut exister. Ces allotropes comprennent le graphite et le diamant, qui ont des propriétés très différentes.
- Malgré la capacité du carbone à faire 4 liaisons et sa présence dans de nombreux composés, il est très peu réactif dans des conditions normales.
- Le carbone existe sous 3 isotopes principaux : 12C, 13C, 14C. Le 14C est radioactif et utilisé pour dater les échantillons contenant du carbone (datation radiométrique).
Termes
- demi-vieDans un processus de désintégration radioactive, durée nécessaire pour se retrouver avec la moitié de la matière initiale (non désintégrée).
- datation radiométriqueTechnique utilisée pour dater les matériaux en comparant l’abondance naturelle des atomes radioactifs à leurs produits de désintégration restants.
- allotropesDifférentes formes d’un élément chimique que l’on trouve à l’état naturel.
Le carbone est l’élément chimique de symbole C et de numéro atomique 6 (contient 6 protons dans son noyau). En tant que membre du groupe 14 du tableau périodique, il est non métallique et tétravalent, ce qui signifie que quatre électrons sont disponibles pour former des liaisons chimiques covalentes. L’isotope le plus courant du carbone possède 6 protons et 6 neutrons, et sa masse atomique est de 12,0107 amu. Sa configuration électronique à l’état fondamental est 1s22s22p2. Son degré d’oxydation varie de 4 à -4, et son électronégativité est de 2,55 sur l’échelle de Pauling. C’est un solide, et il se sublime à 3 642 °C (il a le point de sublimation le plus élevé de tous les éléments).
Allotropes de carbone
Le carbone a plusieurs allotropes, ou différentes formes sous lesquelles il existe. Il est intéressant de noter que les allotropes de carbone couvrent un large éventail de propriétés physiques : le diamant est la substance naturelle la plus dure, et le graphite est l’une des substances connues les plus douces. Le diamant est transparent, l’abrasif par excellence, et peut être un isolant électrique et un conducteur thermique. À l’inverse, le graphite est opaque, un très bon lubrifiant, un bon conducteur d’électricité et un isolant thermique. Les allotropes de carbone ne se limitent pas au diamant et au graphite, mais comprennent également les buckyballs (fullerènes), le carbone amorphe, le carbone vitreux, la nanomousse de carbone, les nanotubes, et autres.
Réactivité chimique du carbone
Les composés carbonés constituent la base de toute vie connue sur Terre, et le cycle carbone-azote fournit une partie de l’énergie produite par le soleil et les autres étoiles. Le carbone a une affinité pour se lier à d’autres petits atomes, y compris d’autres atomes de carbone, via la formation de liaisons stables et covalentes. Bien qu’il soit présent dans un grand nombre de composés, le carbone est faiblement réactif par rapport aux autres éléments dans des conditions normales. À température et pression normales, il résiste à l’oxydation ; il ne réagit pas avec l’acide sulfurique, l’acide chlorhydrique, le chlore ou les métaux alcalins. À des températures plus élevées, le carbone réagira avec l’oxygène pour donner des oxydes de carbone, et avec les métaux pour donner des carbures métalliques.
Le carbone a la capacité de former de très longues chaînes de liaisons C-C interconnectées, fortes et stables. Cette propriété permet au carbone de former un nombre presque infini de composés ; en fait, il existe plus de composés connus contenant du carbone que tous les composés des autres éléments chimiques réunis, à l’exception de ceux de l’hydrogène (car presque tous les composés organiques contiennent également de l’hydrogène).
Isotopes du carbone
Le carbone possède deux isotopes stables et naturels : le carbone-12 et le carbone-13. Le carbone-12 en constitue 98,93% et le carbone-13 forme les 1,07% restants. La concentration de 12C est encore augmentée dans les matériaux biologiques car les réactions biochimiques discriminent le 13C. L’identification du carbone dans les expériences de RMN se fait avec l’isotope 13C. Le 14C est un isotope radioactif du carbone dont la demi-vie est de 5 730 ans. Son abondance naturelle est très faible (0,0000000001%) et il se transforme en 14N par désintégration bêta. Il est utilisé dans la datation radiométrique pour déterminer l’âge des échantillons carbonés (d’origine physique ou biologique) jusqu’à environ 60 000 ans.
Au total, il existe 15 isotopes connus du carbone et le plus court d’entre eux est le 8C, qui se désintègre par émission de protons et désintégration alpha, et a une demi-vie de 1,98739 x 10-21 secondes. Le 19C exotique présente un halo nucléaire, ce qui signifie que son rayon est sensiblement plus grand que celui auquel on pourrait s’attendre si le noyau était une sphère de densité constante.
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