Dix faits sur le carbone, la base de la chimie de la vie

Le carbone est un élément essentiel à la vie, car c’est le principal constituant de tous les composés organiques. Il peut être sous forme élémentaire, formant du carbone ou des diamants, et il peut former des composés inorganiques, comme le dioxyde de carbone (CO ₂ ), une molécule fondamentale dans les processus de capture de l’énergie solaire par les plantes et dans les processus de libération d’énergie par combustion. Le charbon actif, les fibres de carbone, les nanotubes et le graphène sont quelques-uns des composés et des matériaux qui ont l’atome de carbone comme composant fondamental.

L’atome de carbone a 6 protons dans son noyau et 6 électrons dans son environnement, donc son numéro atomique est 6. L’isotope le plus abondant dans la nature est celui qui a aussi 6 neutrons dans son noyau, 12C, et depuis 1961 Cet isotope est utilisé pour mesurer la masse atomique de tous les éléments, en prenant comme unité la douzième partie de la masse du ¹² C. 98,89% des atomes de carbone dans la nature sont ^{du 12} C, mais il y a aussi l’isotope qui a un neutron plus dans le noyau , ¹³ C, qui complète la composition naturelle avec 1,1 %. Un autre isotope important du carbone est ^{le 14C} , un isotope radioactif qui se désintègre avec une demi-vie de 5730 ans. le ¹⁴Le C est produit dans l’atmosphère à la suite de l’interaction de l’azote avec les rayons cosmiques et, à partir de sa production, il est intégré dans des processus et des produits organiques, le transformant ainsi en une horloge naturelle qui permet de dater les tissus et les matériaux contenant du carbone dans une fourchette qui va de 1000 à 50000 ans.

Voici dix faits sur le carbone.

• Le carbone est un élément non métallique qui peut s’unir à lui-même et former une immense variété de composés chimiques, dont le nombre est estimé à plus de dix millions.

• Comme tous les éléments, le carbone a été produit dans les étoiles par des réactions de fusion nucléaire. Dans les premiers stades de leur développement, les étoiles produisent de l’énergie par des réactions de fusion d’atomes d’hydrogène qui produisent de l’hélium, comme c’est le cas avec le Soleil. Lorsque la majeure partie de l’hydrogène a été convertie en hélium, l’énergie produite dans la réaction ne peut pas équilibrer la force gravitationnelle. force et l’étoile se compacte en son centre, tandis que son secteur extérieur s’agrandit. Lorsque le processus se termine, la température du noyau atteint des températures de l’ordre de 100 millions de Kelvin et une réaction appelée triple alpha se produit, dans laquelle trois noyaux d’hélium génèrent un atome de carbone. Des processus ultérieurs peuvent générer d’autres éléments ou disperser les éléments produits,

• Le carbone est le quatrième élément le plus abondant dans l’univers, après l’hydrogène, l’hélium et l’oxygène, et c’est le quinzième élément le plus abondant dans la croûte terrestre.

• Le carbone élémentaire peut prendre la forme de l’un des matériaux les plus durs et les plus chers qui existent, le diamant, ou former un matériau mou et bon marché, le graphite. Le diamant et le graphite sont deux allotropes du carbone mais dans le diamant les atomes sont disposés dans une structure cristalline cubique qui se forme dans des conditions de pression et de température extrêmes, tandis que dans le graphite les liaisons covalentes forment des structures cristallines hexagonales disposées dans des plans qui se chevauchent.

• Sous vide ou dans une atmosphère sans oxygène, le diamant se transforme en graphite à 1 700 degrés Celsius. Dans l’air, la transformation commence autour de 700 degrés Celsius. Le point de fusion du graphite est de 3600 degrés Celsius.

• Les allotropes de carbone ont une variété d’utilisations. Le diamant est une pierre précieuse qui a également des applications industrielles en raison de son extrême dureté. Le graphite est utilisé mélangé à une pâte dans la mine des crayons. Il est également utilisé comme lubrifiant solide et comme élément de protection contre l’oxydation. Le graphite peut être un composant des briques réfractaires et des creusets. Diverses pièces d’ingénierie, telles que les pistons, les joints de cylindre, les rondelles ou les roulements, sont fabriquées avec du graphite. En raison de sa bonne conductivité électrique et de sa résistance aux attaques chimiques, il est utilisé pour fabriquer des électrodes et dans d’autres applications électriques, telles que les charbons et les balais de moteurs électriques. Du fait de sa capacité de modération neutronique et de sa faible absorption neutronique,

• Le carbone est l’élément de base de la chimie organique, également appelée chimie du carbone. Toutes les molécules organiques contiennent du carbone. Les plus simples forment différentes liaisons entre elles et ne se combinent qu’avec des atomes d’hydrogène, tandis que les plus complexes comprennent des atomes d’oxygène, d’azote, de phosphore ou de soufre, atteignant les plus hauts niveaux de complexité dans les molécules d’ARN (acide ribonucléique) et d’ADN (acide désoxyribonucléique). Le grand nombre de composés organiques est dû au fait que l’atome de carbone a quatre électrons dans sa couche de valence, il en faut donc quatre autres pour former un état stable selon la règle de l’octet. De cette manière, il dispose de quatre liaisons disponibles pour se combiner par des liaisons covalentes avec d’autres éléments ou avec d’autres atomes de la même espèce.

• Les polymères font partie de notre vie quotidienne de différentes manières. Les polymères naturels, c’est-à-dire les biopolymères, comme une grande partie des polymères artificiels, sont des composés carbonés. Les biopolymères sont des composants fondamentaux de la vie. Les lipides sont des biopolymères, des triglycérides dont les monomèresCe sont le glycérol et les acides gras. Et les protéines sont des polypeptides dont les monomères sont des acides aminés. Un autre exemple est celui des acides nucléiques. ADN et ARN, dont les monomères sont des nucléotides eux-mêmes constitués de bases azotées, de ribose, qui est un sucre (un monosaccharide appelé pentose), et d’un groupement phosphate. Les glucides sont aussi des biopolymères. Les polysaccharides, tels que la cellulose et l’amidon, et les disaccharides, tels que le saccharose (le sucre commun) et le lactose, sont des polymères dont les monomères sont des monosaccharides, des sucres simples, le monosaccharide le plus courant étant le glucose. Le biopolymère le plus abondant est la cellulose, formant la majorité de la biomasse terrestre car elle est un constituant de la paroi cellulaire de la plupart des plantes. On le trouve sous sa forme la plus pure dans le coton et c’est le principal composant du papier et de nombreux autres produits que nous utilisons quotidiennement. Parmi les polymères artificiels, celui qui implique le processus de formation le plus simple est le polyéthylène, un plastique largement répandu et utilisé. Le monomère du polyéthylène est l’éthylène, une molécule organique simple qui a deux atomes de carbone liés par une double liaison avec deux atomes d’hydrogène attachés à chaque atome de carbone. Si la double liaison est rompue, chacun des atomes de carbone a une liaison covalente disponible pour joindre d’autres atomes, constituant l’unité structurelle qui formera le polymère. L’union répétée de cette unité structurale génère une longue molécule linéaire, sans ramifications, qui est le polyéthylène.

• L’un des matériaux les plus résistants que l’on puisse fabriquer est la fibre de carbone. Aussi appelée fibre de graphite, la fibre de carbone est une fibre synthétique composée de filaments très fins, de 5 à 10 microns de diamètre, d’un polymère dont l’élément principal est le carbone. En tissant et en traitant des milliers de ces filaments fins, une fibre de carbone est obtenue. Ces filaments ont une résistance à la traction élevée, ils sont donc extrêmement résistants compte tenu de leur épaisseur. Le nanotube de carbone est considéré comme le matériau le plus résistant qui puisse être fabriqué, et les fibres de carbone sont généralement considérées comme ayant des propriétés similaires à celles de l’acier, étant beaucoup plus légères et avec une densité similaire à celle du bois ou du plastique. Les applications des fibres de carbone sont multiples. Dans la construction,

• Le cycle du carbone est une séquence d’événements essentiels à la vie sur Terre. Les processus du cycle du carbone sont regroupés en processus dans l’atmosphère, ceux dans la biosphère terrestre, les processus dans les océans, dans les sédiments, y compris les combustibles fossiles et les systèmes d’eau douce, et les processus au sein de la Terre. Dans l’atmosphère, le carbone se trouve principalement sous forme de dioxyde de carbone et de méthane. Le dioxyde de carbone est extrait de l’atmosphère dans les biosphères terrestres et marines par photosynthèse, et il se dissout également dans les masses d’eau pour former de l’acide carbonique. Le carbone dans la biosphère terrestre comprend le carbone organique de tous les organismes vivants et morts, ainsi que le carbone stocké dans les sols. La majeure partie du carbone de la biosphère terrestre est organique, tandis qu’un tiers est sous des formes inorganiques, telles que le carbonate de calcium. Le carbone s’échappe de la biosphère terrestre par combustion et respiration, bien qu’il puisse également être exporté vers les systèmes marins par les rivières ou retenu dans les sols sous forme de carbone inerte. Les systèmes marins contiennent la plus grande quantité de carbone associée à leur cycle biogéochimique. Le carbone pénètre principalement dans les systèmes marins en dissolvant le dioxyde de carbone atmosphérique, qui est ensuite converti en carbone organique par la photosynthèse réalisée par les organismes marins. ou retenu dans les sols sous forme de carbone inerte. Les systèmes marins contiennent la plus grande quantité de carbone associée à leur cycle biogéochimique. Le carbone pénètre principalement dans les systèmes marins en dissolvant le dioxyde de carbone atmosphérique, qui est ensuite converti en carbone organique par la photosynthèse réalisée par les organismes marins. ou retenu dans les sols sous forme de carbone inerte. Les systèmes marins contiennent la plus grande quantité de carbone associée à leur cycle biogéochimique. Le carbone pénètre principalement dans les systèmes marins en dissolvant le dioxyde de carbone atmosphérique, qui est ensuite converti en carbone organique par la photosynthèse réalisée par les organismes marins.

Sources

Anna Deming. Roi des éléments ? Nanotechnologie n° 21, 2010.

JL Sarmiento, N. Gruber. Dynamique biogéochimique des océans. Princeton University Press, Princeton, New Jersey, États-Unis, 2006.

Laura Gasque Silva. Carbone. L’élément aux multiples personnalités. Comment voyez-vous? Magazine, Université nationale autonome du Mexique, 2019.

RJ Young, PA Lovell Introduction aux polymères. Troisième édition. Boca Raton, LA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.