(Travaux Pratiques Encadrés) LE CARBONE

« ils sont très adaptés au monde de l'industrie car ils ont un meilleur pouvoir de coupe et une durée d'utilisation plus longue .

Ces diamants couvrent 90% des besoins industriels en diamants .

LE CARBONE LIQUI D E Lorsque les conditions de pression et de température deviennent extrêmes , le carbone passe en phase liquide .

lE S FULLER ÈNES les fullerènes sont des molécules étranges, composées exclusivement d 'atomes de carbone , et pouvant prendre la forme d'une sphère , d ' un ellipsoïde, d'un tube (le fullerène prend alors le nom de nanotube) ou d'un anneau .

le premier fullerène a été découvert en 1985 aux États-Unis, par trois chercheurs (Harold Kroto, Robert Kurl et Richard Smalley) qui ont obtenu le prix Nobel de chimie en 1996.

le lullerène le plus connu est sans conteste le C.., aussi appelé footballène , en raison de sa forme, ou Buckminsterfullerène , en l'honneur de Richard Buckminster Fuller , ingénieur américain inventeur du dômr géod ésique (il s'agit d'une construction hémisphérique faite d'un réseau tridimensionnel de tiges d'acier ).

Ce fullerène est constitué de 12 pentagones, entourés et reliés entre eux de 20 hexagones.

le plus petit fullerène a été obtenu artificiellement.

Il s'agit du C20 qui, au contraire , est très instable .

Les propriétés des fullerènes sont encore assez méconnues .

LEs N ANOTUBES Dix fois plus rigides que l'acier , six fois plus légers que lui, si minces qu'il en faudrait 50 000 pour obtenir une fibre de l'épaisseur d'un cheveu humain.

Ils constituent véritablement la première invention des nanotechnologie s.

Qu'est- ce qu'u n nan otube ? les nanotubes de carbone sont des tubes jusqu 'à mille fois plus longs que larges, fermés aux extrémités .

A titre de comparaison , la tour Eiffel qui fait environ 125 rn de large mesurerait 1 250 km de haut si elle avait le même rapport hauteur-largeur qu'un nanotube ! Ils ont été observés pour la première fois par un japonais , Sumio Lijima, en 1991.

Quelles appl ications ? On est encore loin des premières applications industrielles de ce matériau si prometteur .

Néanmoins, quelques propriétés intéressantes ont été mises en évidence .

Tout d'abord, aussi incroyable que cela puisse paraître, les nanotubes seraient encore plus durs que le diamant ! Par ailleurs, du point de vue électrique, des chercheurs d'IBM auraient réussi à créer un transistor sur un nanotube et ainsi réussi à obtenir un niveau de miniaturisation jamais atteint.

Ces nanotubes ont également des propriétés semi -conductrices , pouvant à la fois jouer le rôle de conducteurs ou isolants selon le champ électrique dans lequel ils se trouvent.

Enfin , la structure creuse des nanotubes fait d'eux de petits récipients à l'échelle microscopique .

Même s'ils restent assez mystérieux, les nanotubes n 'ont pas fini de faire parler d'eux ...

lA FIBRE D E CARBON E la libre de carbone constitue un matériau assez employé dans les technologies de l'aérospatiale et des véhicules de compétition (voiliers , automobiles , etc.) , de par sa légèreté et sa très grande résistance.

En fait, la libre de carbone n'est autre qu'une forme de graphite, dans laquelle les couches sont longues et fines .

Quand on parle de libre de carbone au sens usuel , on parle en fait d 'une couche de résine sur laquelle des fibres de carbone sont collées les unes aux autres .

Le carbone s'allie facilement avec d 'autres atomes , pour former des molécules très variées.

On présentera ci-après un panorama non-exhaustif de cette importante famille de composés dont on dénombre plus de 10000000 représentants ! lES COMPOStS ALIPHATIQU ES Sous ce nom on regroupe toutes les chaînes de carbone qui peuvent être modifiées par des groupes fonctionnels .

les groupes fonctionnels sont des groupes d'atomes qui viennent prendre place sur une chaîne existante .

Ainsi , par exemple , l'éthane C2H6 devient l'éthanol CH3CH20H, en remplaçant un atome d'hydrogène ( H ) par un groupe hydroxyle (OH) .

Il se transforme en acide acétique CH3COOH (l'acide du vinaigre) en y substituant le groupe fonctionnel acide carboxylique (OOH ).

les hydrocarbure s Sous le terme d'hydrocarbure, la chimie rassemble tous les composés ne contenant que du carbone et de l'hydrogène.

Au sens usuel, les hydrocarbures (gaz naturel et pétrole ) sont en fait un vaste mélange de plusieurs dizaines de composés de la famille des hydrocarbures .

Ainsi , le gaz naturel renferme entre autres plus de 70% de méthane CH,, de l'éthane C2H., du propane C3H8 ainsi que du diazote N2 et bien d 'autres composés .

En France , le gaz naturel est odorisé par du tétrahydrothiophène C4H8S quand il n'est pas assez odorant naturellement.

les principaux combustibles parmi les hydrocarbures sont les alcanes (méthane , éthane , propane, butane, etc.), chez lesquels deux atomes consécutifs de carbone sont réunis par une seule liaison .

les composés oxygénés Parmi les composés oxygénés, on trouve les alcools ainsi que les acides carboxyliques .

les alcools sont obtenus à partir d 'alcanes , en remplaçant un hydrogène par un groupe hydroxyle OH.

On obtient ainsi des composés qui trouvent de très nombreuses applications , des solvants jusqu 'aux huiles essentie lles pour la parfumerie.

C'est l'éthanol , moins toxique que les autres alcools, qui rentre dans la composition des boissons alcoolisées .

Les acides carboxyliques , quant à eux, sont obtenus en ajoutant le groupe OOH en fin de chaîne .

Ils entrent en jeu en b iologie , dans les acides gras et les acides aminés, mais aussi en chimie industrielle .

l'acide secrété par les fourm is, l'acide formique COOH est un acide carboxylique .

LEs COMPO StS AROMATI QUES les composés aromatiques contiennent tous un cycle d'atomes de carbone .

Leur nom vient , bien évidemment, du fait qu'ils dégagent tous une odeur .

On compte parmi ces composés le benzène et ses dérivés.

L E DIOXYD E DE CARBONE (CO,) la combustion du charbon et des hydroc11rbures , la fermentation des liquides et la respiration des humains et des animaux produisent du C02• Ce composé est le résultat de la combinaison du carbone et de l 'oxygène.

les plantes , quant à elles , assimilent le C02 et rejettent de l'oxygène .

LA DATATION AU CARBONE Le carbone 14 permet de dater avec une précision relativement bonne des objets âgés d'au plus 50000 ans.

lES DIFFtlENTS ISOTOPES DU CARBONE Un atome de carbone se compose, dans sa forme la plus stable , de 6 électrons de 12 nucléons (à savoir 6 protons et 6 neutrons) dans son noyau : on le note "C.

Il représente 98,89 % des atomes de carbone présents sur Terre .

Il existe aussi le carbone 13, qui comprend cette fois 13 nucléons dans son noyau (toujours 6 protons , mais 7 neutrons) qui est également stable .

Ce type de carbone compose 1 ,108 % des atomes de carbone.

On dit que c'est un isotope du carbone 12, car il comprend le même nombre de protons , mais pas le même nombre de neutrons .

Enfin , l ' isotope le plus rare -puisqu'il compose 0 ,002 % des carbones -est le carbone 14, noté • c :c 'est lui que les scientifiques utilisent pour effectuer une datation au carbone 14.

D'o ù VIENT LE CARBONE 14 ? les gaz de la haute atmosphère (essentiellement de l'azote (N)­ composant près de 80 % de l'atmosphère- , qui a une masse de 14, c'est-à-dire qui comporte 14 nucléons) sont bombardés par les rayons cosmiques .

les atomes d 'azote, en recevant de l'énergie par le biais des rayons cosmiques, donnent alors Structure de 2 types de fullerènes le dôme géodésique des atomes de carbone 14.

Ce dernier se combine avec le dioxygène de l'air (0 ,), et donne tout bonnement du dioxyde de carbone (CO,) radioactif qui se mélange alors au C02 issu des activités humaines ou naturelles : combustion d'hydrocarbures , respiration, volcanisme, etc.).

Puis , par le biais de la photosynthèse , les végétaux absorbent ce •co,.

ln fine, le carbone 14 se retrouve chez tous les êtres vivants qui absorbent directement ou indirectement ces végétaux .

PRINCIPES ET LIMITES DE LA DATATI O N Tous les organismes vivants (végétaux ou animaux ) contiennent donc du •c.

Sa concentration commence à décroître avec la mort de l'organisme : à cause de son instabilité le •c se désintègre peu à peu.

les physiciens (depuis les recherches de Willi11m Libby , initiées en 1948 ), ont mis au point une méthode pour estimer l'âge d'échantillons, en supposant que le rapport entre la quantité de carbone et celle de • c est restée constante dans l'atmo sphère au cour s des âges.

Avant tout seuls les échantillons issus d 'êtres vivants peuvent être analysés car eux seuls ont pu, durant leur existence, assimiler du •c.

Cela constitue une limite importante à la datation : il n 'est pas possible de dater directement des minéraux (indirectement on peut tenter de dater les éventuels micro­ organisme s ou végétaux contenus dans ceux-ci ).

le s physiciens utilisent alors une propriété remarquable , découverte en 1951 par Libby lui-même :la période de demi-vie du •c est de 5 568 ans, plus ou moins 30 ans.

Cela veut dire que si l'on attend 5 568 années, la moitié des atomes de • c auront disparu (ou plutôt ils se seront transformés en azote en émettant de la radioactivité ) : on dit que le •c a une décroissance exponentielle.

Il suffit donc de compter le nombre de désintégrations que subit un échantillon par unité de temps , puis de lire le résultat sur les abaques (ou le calculer).

La seconde limite vient du lait que si l'échantillon est ancien , il devient très diffici le de déceler une désintégration , car celles -ci deviennent très rares .

Ainsi, pour un échantillon de 1 g âgé de 50 000 ans, il faudra attendre 37 minutes pour compter une le nanotube désintég ration ! Pour un échantillon similaire de lOO 000 ans, il faudrait attendre 18 745 minutes , soit plus de 13 jours, pour observer la moindre désintégration .

Ainsi , on considère souvent que cette méthode est utilisable pour des échantillons de moins de 50000 ans.

QUELQUES MESURES la datati o n au •c est surtout utilisée en archéologie , quand il n'est pas possible d'estimer l'âge par des repères purement historiques (pièces de monnaies datées , céramiques peintes , etc.) .

Une des prem ières datations au • c a été réalisée en 1950 , sur des fragments de bois retrouvés sur le sol de la grotte de lascaux .

les exemples sont nombreux en ce qui concerne la datation de lieux (pré)historiques : grotte de Cosquer , dans les calanques de Cassi s, grotte de Chauvet en Ardèche , site de Fontbrégoua , estimé à 6000 ans avant J.-C.

(obtenu en datant le crâne d'un enfant vraisem­ blablement mort par anthropo ­ phagie ).

le lincru l dr 1brin (censé être contemporain de la mort du Christ) s'est avéré , ave c une datation au •c , être daté de la fin du Moyen Âge (vers l 'an 1300).

C'est une véritable énigme à laquelle les scientifiques ont dû faire face , car plusieurs autres indices laissaient croire qu'il devait être daté de la mort du Christ Ils en sont finalement arrivés à la conclusion que le linceul est bien cont emporain de cet événement , mai s qu'il a été rechargé en • c par un gigantesque incendie ayant eu lieu à Turin, en 1532, ou par la présence de micro-champignons dans le tissu, qui auraient continuer à assimiler du •c bien aprè s qu'il n 'a été tissé.

Au vu de cette anecdote, il apparaît que la méthode de datation ne se suffit pas à elle-même, et qu'il faut mettre cette technique en corrélation avec d'autres méthodes pour obtenir un résultat satisfaisant.

Par ailleurs , le • c peut également être utilisé pour déterminer si un produit chimique (un colorant alimentaire , un parfum , un arôme , etc.) est d 'origine naturelle ou synthétique .

lorsque le produit en question est d'origine naturelle, sa teneur en radioca rbone (l'autre nom du •c) sera la même que celle de l'atmosphère actuelle alors que s 'il est obtenu par synthèse , s a teneur en •c sera faible , voire nulle.. »