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La face cachée du carbone

Les avatars du carbone

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Diamants taillés (© iStockphoto/Simfo)
Dans le diamant, chaque atome de carbone est lié à quatre autres atomes formant ainsi un réseau dans les trois dimensions de l’espace. Ce qui confère à ce minéral une grande dureté. Pour le graphite, chaque atome est lié à trois autres atomes, formant un réseau plan d’hexagones à la façon d’un nid d’abeilles. Les plans ainsi constitués sont reliés entre eux par les liaisons beaucoup plus faibles qui donnent au matériau sa structure en feuillets.

LA FACE CACHÉE DU CARBONE

La différence d’aspect entre un diamant et une mine de crayon à papier est évidente. Il est également clair que leur utilisation dans la vie de tous les jours n’est pas la même !

Pourtant le diamant, comme le graphite qui compose la mine des crayons, sont tous les deux composés uniquement d’atomes de carbone. Leur différence d’apparence vient « tout simplement » de l’arrangement spatial des atomes et des liaisons entre eux : chaque atome possède quatre électrons sur sa couche externe, il peut donc potentiellement s’associer à quatre de ses voisins.

Pour passer de la mine de crayon au diamant il suffit donc de réarranger la position relative des atomes entre eux et le tour est joué ! Non, cela n’est pas si facile, la transformation ne se fait que sous certaines conditions, il faut réunir une très haute pression, des milliers de fois la pression atmosphérique, et une température très élevée, plusieurs milliers de degrés Celsius (comme on peut les trouver à 180 km de profondeur, au sein du manteau terrestre supérieur).

Même s’il n’est pas rentable de transformer artificiellement le graphite en diamant, l’homme a essayé de fabriquer d’autres formes de carbone. Depuis quelques années, les nouvelles structures de carbone comme le graphène, le fullerène ou les nanotubes sont promises à un grand avenir dans les domaines des nanotechnologies. Les chercheurs étudient ces nouveaux matériaux, notamment au sein du synchrotron SOLEIL.

LES AVATARS DU CARBONE

Qu’y a-t-il de commun entre la mine d’un crayon de papier et le diamant qui orne un bijou ?

Les deux sont formés exclusivement du même élément chimique : le carbone. Pourtant, quelle différence d’aspect et de propriétés entre les deux objets ! Un tel contraste vient tout simplement de l’arrangement spatial des atomes de carbone et des liaisons entre eux.

Dans le diamant, chaque atome de carbone est lié à quatre autres atomes de carbone, formant ainsi un réseau dans les trois dimensions de l’espace. Cette structure confère au diamant une grande dureté qui peut être exploitée dans des domaines aussi variés que la fabrication d’outils de découpe ou la réalisation de toutes petites enclumes de diamants qui permettent d’obtenir de très grandes pressions pouvant simuler celles existant au centre de la Terre... Les quatre électrons de valence du carbone (ceux de la dernière couche) participent à ces liaisons, ce qui fait du diamant un isolant électrique.

Mais autant le diamant est brillant, transparent et dur, autant le graphite des mines de crayon est opaque, noir et relativementmou. Ainsi, dans le graphite, chaque atome de carbone est lié à trois autres atomes de carbone, formant un réseau plan d’hexagones à la façon d’un nid d’abeilles. Les plans ainsi constitués sont reliés entre eux par les liaisons beaucoup plus faibles qui donnent au matériau sa structure en feuillets. Trois des quatre électrons de valence sont engagés dans des liaisons avec les atomes voisins, le quatrième permet la cohésion des feuillets entre eux et le passage du courant électrique suivant la direction de ces plans.

Le graphite est la structure la plus stable du carbone. Sa transformation en diamant ne se fait que dans des conditions extrêmes : quelques dizaines de milliers de fois la pression atmosphérique et une température de plusieurs milliers de degrés Celsius. Ces conditions sont naturellement obtenues à la limite du manteau terrestre, lors de phénomènes de subduction (processus d’enfoncement d’une plaque tectonique sous une autre). Ces diamants naturels sont ensuite remontés en surface lors des violentes éruptions volcaniques.

Par ailleurs, le carbone est réputé pour la diversité de ses formes. Outre le graphène, les nanotubes de carbone et les fullerènes (sorte de cages formées de 60 atomes de carbone et ressemblant à des ballons de football possédant 12 faces pentagonales et 20 hexagonales) sont promis à un grand avenir dans des domaines tels que les nanotechnologies ou le stockage de l’hydrogène.

DANS LES PROGRAMMES

Sciences de la vie et de la Terre, 1re S :

  • Structure, composition et dynamique de la Terre
  • TPE : Avancées scientifiques et réalisations techniques

Physique-Chimie

  • 2de : Thème « Sport » : Matériaux naturels et synthétiques
  • 1re S : Introduction à la chimie organique : L’élément chimique carbone