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Sauter à un chapitre clé
Lis la suite pour en savoir plus sur cet élément chimique, les composés qu'il peut former dans différentes conditions et les applications de ses dérivés.
- Cet article est consacré aux allotropes du carbone.
- Nous verrons la définition des allotropes du carbone.
- Puis, les carbones cristallins.
- Nous continuerons avec les types d'allotropes du carbone: le diamant, le graphite et le fullerène.
- Pour finir, nous allons analyser les applications des allotropes du carbone.
Allotropes de carbone : Définition
Le carbone occupe une place particulière dans le tableau périodique. Le carbone existe partout - soit sous forme élémentaire (seul), soit sous forme de composé (dans des molécules avec d'autres éléments). Il est présent dans les crayons avec lesquels tu écris, le papier sur lequel tu écris, la craie, le sucre, le bois - et j'en passe ! En fait, environ 12 % des atomes du corps humain sont des atomes de carbone. Dans cet article, tu vas découvrir la molécule que forme le carbone sous sa forme élémentaire.
Laforme élémentaire fait référence aux atomes ou aux molécules qui contiennent des atomes d' un seul élément.
Par exemple,H2 est la forme élémentaire de l'hydrogène, car l'hydrogène existe dans l'environnement sous forme deH2. Lorsqu'un élément peut exister sous plusieurs formes élémentaires, ces formes élémentaires sont appelées allotropes.
Un allotrope est l'une des multiples formes physiques sous lesquelles un élément peut exister. Par exemple, l'oxygène a trois allotropes - O2 (l'oxygène que tu respires), O3 (l'ozone) ou O4.
De même, le carbone a de nombreux allotropes. La configuration électronique du carbone est 1s2 2s2 2p2. Il a une valence de 4 puisqu'il y a 4 électrons dans son enveloppe de valence. Pour compléter son octuor, il a besoin de 4 électrons supplémentaires. Par conséquent, le carbone établit 4 liaisons covalentes avec d'autres atomes.
La règle de l'octuor de la liaison chimique stipule que les éléments essaient d'établir des liaisons entre eux de façon à ce qu'ils aient tous 8 électrons dans leur enveloppe de valence. Le fait d'avoir 8 électrons dans l'enveloppe de valence est considéré comme une configuration électronique stable.
Une liaison covalente est une liaison chimique qui se forme lorsque des éléments partagent des paires d'électrons entre eux. Pour en savoir plus sur les liaisons covalentes, consulte la rubrique Liaisons covalentes.
Le carbone a la capacité de former des molécules stables à longue chaîne avec des atomes liés par des liaisons covalentes. Cette capacité permet au carbone d'avoir de nombreux allotropes - certains contiennent même 70 atomes de carbone ! Il existe deux types d'allotropes du carbone :
- Le carbone cristallin.
- Lecarbone amorphe.
Voyons quelques exemples de chacun de ces deux types d'allotropes.
Carbone cristallin
Un cristal est un solide dans lequel les atomes sont disposés dans un ordre répétitif d'une certaine structure de base. Un matériau doté d'une structure cristalline est dit cristallin.
Le diamant, le graphite et le fullerène sont des exemples d'allotropes cristallins du carbone. Tu vas découvrir certaines propriétés de chacun d'entre eux et leur structure sous-jacente qui les rend cristallins.
Types d'allotropes du carbone
Nous allons étudier les types d'allotropes du carbone.
Le diamant
Oui, le même diamant que celui utilisé en bijouterie. Le diamant est entièrement constitué d'atomes de carbone. Chaque atome de carbone forme 4 liaisons covalentes simples avec 4 autres atomes de carbone dans le diamant. La structure moléculaire dans laquelle les atomes sont disposés dans le diamant et la présence de liaisons covalentes fortes font du diamant lematériau le plus dur au monde.
Les atomes du diamant sont disposés selon unestructure tétraédrique . La figure t'aidera à visualiser la structure du diamant.
Comme le diamant est constitué de répétitions de tétraèdres d'atomes de carbone, il forme une structure cristalline.8
Voici d'autres propriétés importantes du diamant :
- Excellent isolant électrique.
- Bon conducteur de chaleur.
- Point de fusion élevé.
- Très faible réactivité chimique.
- Grande transparence optique.
Le diamant étant le matériau le plus dur au monde, il est utile pour de nombreuses applications telles que les outils de coupe industriels, les outils de fraisage, les outils de meulage, les scies, etc. Sa rareté, sa faible réactivité chimique (et donc sa grande compatibilité biologique) et, bien sûr, sa beauté en font un matériau précieux dans l'industrie de la bijouterie. Le diamant ne se forme naturellement que dans les conditions de température et de pression élevées que l'on trouve sous la croûte terrestre et ne peut pas être créé en laboratoire. Le diamant a de nombreuses autres utilisations et propriétés intéressantes, que tu peux découvrir dans un article consacré au diamant.
Le graphite
Le graphite est un autre allotrope cristallin du carbone. Comme le diamant, il se forme naturellement dans les conditions de température et de pression élevées que l'on trouve sous la croûte terrestre. Dans le graphite, chaque atome de carbone établit trois liaisons covalentes simples avec trois autres atomes de carbone. Les atomes forment une couche plate d'anneaux hexagonaux joints. Chaque anneau comporte 6 atomes de carbone, et de nombreuses couches de ce type empilées les unes sur les autres forment la structure du graphite. Regarde l'image pour une meilleure visualisation.
Comme chaque atome de carbone n'établit que trois liaisons covalentes, il possède un électron libre non apparié. Cet électron non apparié est délocalisé dans la structure du graphite, c'est-à-dire qu'il n'est associé à aucun atome particulier et peut se déplacer dans toute la structure. C'est ce qui permet au graphite de conduire l'électricité. C'est également grâce à ces électrons qu'il existe de faibles forces intermoléculaires entre les couches (représentées par des lignes en pointillé), ce qui permet aux couches de glisser les unes sur les autres et explique pourquoi le graphite est doux et lisse. Le graphite est donc le seul lubrifiant à l'état solide que l'on trouve à l'état naturel. Parmi les autres propriétés du graphite, on peut citer -
- Bon conducteur de chaleur.
- Point de fusion et d'ébullition élevé.
- Stabilité thermique élevée.
Sais-tu que les "mines" des crayons sont en fait faites de graphite ? Et c'est pourquoi les mines des crayons peuvent conduire l'électricité ? Si tu veux découvrir d'autres propriétés intéressantes du graphite, consulte cet article.
Le fullerène
Les fullerènes sont des molécules d'atomes de carbone à structure creuse. Les fullerènes ont généralement des anneaux hexagonaux à 6 atomes de carbone, mais parfois aussi des anneaux pentagonaux à 5 atomes de carbone. La première molécule de fullerène découverte est le Buckminsterfullerene (C60).
Le buckminsterfullerène est une molécule composée de 60 atomes de carbone disposés en forme de sphère creuse, comme tu peux le voir sur la figure. Sa structure comporte 20 anneaux hexagonaux et 12 anneaux pentagonaux. Les fullerènes peuvent être utilisés comme lubrifiants, catalyseurs ou même dans les produits pharmaceutiques pour cibler des bactéries spécifiques dans le corps.
Un autre groupe intéressant et relativement plus récent de molécules de fullerène est appelé nanotube de carbone, et ils sont exactement ce que leur nom suggère.
Imagine que tu coupes une seule couche de graphite. Une seule couche de graphite aura une épaisseur d'un atome et comportera des anneaux de 6 atomes de carbone. Maintenant, plie cette couche pour former un tube, et tu obtiens un nanotube de carbone. Les nanotubes de carbone ont une grande résistance à la traction, ce qui signifie qu'ils peuvent être étirés sans se rompre. Ils sont également de bons conducteurs d'électricité et de chaleur grâce aux électrons délocalisés, tout comme le graphite. Si tu trouves ces informations extrêmement intéressantes et que tu veux en savoir plus sur les fullerènes, clique ici.
Une seule couche de graphite est appelée graphène. Le graphène est un autre exemple d'allotrope cristallin du carbone. Comme le graphite, il possède une conductivité thermique et électrique élevée en raison de la délocalisation des électrons. Le graphène est également très élastique et flexible.
Applications des allotropes du carbone : Carbone amorphe
Dans les exemples d'allotropes de carbone cristallin, nous avons vu que toutes les molécules ont une structure sous-jacente répétitive. Lorsque la structure sous-jacente d'un matériau est aléatoire et non ordonnée ou répétitive, on dit qu'il est amorphe. Au niveau moléculaire, on peut observer un certain ordre à courte portée dans la structure, mais jamais un arrangement ordonné à longue portée. Tous les allotropes amorphes du carbone sont opaques, c'est-à-dire qu'ils ne laissent pas passer la lumière. Le charbon de bois, la houille, le noir de fumée, le carbone gazeux, la suie et le coke sont des exemples de carbone amorphe. Il convient de noter que ces carbones amorphes sont généralement formés avec beaucoup plus d'impuretés (présence d'éléments autres que le carbone) que les carbones cristallins.
Les carbones amorphes ont trouvé des applications dans :
- Letextile.
- Leplastique.
- Emballages alimentaires.
- Applications électriques.
- Filtration du gaz et de l'eau.
- Industrie de la santé.
Allotropes du carbone - Principaux enseignements
- Laforme élémentaire désigne les atomes ou les molécules qui contiennent des atomes d'un seul élément.
- Un allotrope est l'une des multiples formes physiques sous lesquelles un élément peut exister.
- La règle de l'octuor de la liaison chimique stipule que les éléments essaient d'établir des liaisons entre eux de telle sorte qu'ils aient tous 8 électrons dans leur enveloppe de valence.
- Une liaison covalente est une liaison chimique qui se forme lorsque des éléments partagent des paires d'électrons entre eux.
- Les allotropes du carbone se divisent en deux catégories : les carbones cristallins et les carbones amorphes.
- Un cristal est un solide dans lequel les atomes sont disposés dans un ordre répétitif d'une certaine structure de base. Un matériau doté d'une structure cristalline est dit cristallin.
- Le diamant, le graphite et le fullerène sont des exemples de carbones cristallins.
- Lediamant est le matériau le plus dur que l'on puisse trouver sur Terre. Structure tétraédrique. Chaque atome de carbone possède 4 liaisons covalentes. Il a une bonne conductivité thermique et une mauvaise conductivité électrique. Il a une faible réactivité chimique et un point de fusion élevé.
- Le graphite est constitué de feuilles superposées d'anneaux de 6 atomes de carbone attachés les uns aux autres. Chaque carbone possède 3 liaisons covalentes et un électron libre non apparié qui est délocalisé dans la structure du graphite. Les électrons délocalisés rendent le graphite conducteur sur le plan électrique et thermique. Il a un point de fusion élevé et un point d'ébullition élevé.
- Les électronsdélocalisés sont des électrons qui ne sont pas associés à un atome particulier et qui sont libres de se déplacer.
- Lesfullerènes sont des molécules de carbone qui forment des structures creuses. Le buckminsterfullerène (C60) est une molécule de 60 atomes de carbone de forme sphérique. 20 anneaux hexagonaux, 12 anneaux pentagonaux. Les nanotubes de carbone sont de longues molécules cylindriques dont la structure répétitive de base est constituée de 6 anneaux de carbone. Grande résistance à la traction. Conducteur de chaleur et d'électricité.
- Lescarbones amorphes sont des molécules qui n'ont pas destructure cristalline, c'est-à-dire qui n'ont pas de schéma répétitif à longue portée au niveau moléculaire. Exemples : charbon de bois, charbon, suie, coke, carbone gazeux, suie, noir de lampe. Ils trouvent des applications dans le textile, le plastique, l'emballage alimentaire, l'industrie des soins de santé et d'autres applications.
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