Chapitre 68 – Le carbone – Partie 1

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Les sols et l'agriculture, Gérard Millette Ph.D.
Chapitre 68
NOURRIR LES PLANTES
LE CARBONE
Partie 1
INTRODUCTION
Le carbone forme avec l'oxygène et l'hydrogène le trio
des gaz qui structurent le monde vivant en évolution continuelle. Le carbone charpente tous les produits organiques
grâce à sa capacité d'échanger ou de partager des électrons
avec ses compagnons (O) et (H) d'abord, et ensuite avec tous
les autres éléments de la terre.
CHARPENTE DU VIVANT
Des trois gaz qui structurent le monde vivant, soit le carbone (C), l’oxygène (O) et l’hydrogène (H), c’est le carbone qui
charpente tous les produits organiques grâce à sa capacité
d’échanger ou de partager des électrons avec l’oxygène et
l’hydrogène en premier lieu, et par après avec tous les autres
éléments de la terre.
L'ensemble de tous ces procédés constitue la biologie
de tous les êtres vivants. Ceci est la chimie de la vie. Les prochains chapitres discuteront des activités et de la contribution
de chacun de ces trois éléments dans la vie, avec les digressions appropriées dans les domaines de la botanique, de la
microbiologie, de la zoologie et de l'environnement.
Commençons par le carbone auquel nous consacrerons
les six prochains chapitre car il s’agit d’une tâche ardue. En
effet, depuis les débuts de la chimie moderne, il y a environ
200 ans, on a accumulé et publié sur cet élément des centaines de volumes sur la chimie dite organique.
VERSATILITÉ DU CARBONE
Les atomes isolés de carbone unissent leurs quatre valences ou ligands par covalence, c'est-à-dire par des liens doubles. Cet arrangement crée le diamant, cristal minéral le plus
dur au monde. Un atome de carbone a la même forme tétraédrique que celle du silicium (66), mais en plus petit, vu qu'il a
deux pelures au lieu de trois. La force d'attraction entre les
atomes en est augmentée. Les tétraèdres se collent face
contre face l'un à l'autre pour former les granules minéraux
les plus durs au monde. C'est pourquoi le diamant a une du-
Figure 68.2
Tous le reconnaissent, le couvert végétal de la planète joue un rôle capital pour le maintien
de la vie sur terre. Que ce soit dans les champs de maïs, les prairies ou les forêts, ces végétaux enrichissent l’atmosphère en oxygène durant le jour par la photosynthèse qui leur
permet d’absorber le carbone présent dans l’air sous forme de CO2. Ils emmagasinent ainsi
l’énergie, pour continuer à vivre la nuit par la respiration. Par ailleurs, la température est
plus importante que la lumière pour stimuler la photosynthèse et la respiration des
plantes. Heureusement, sous nos latitudes, l’allongement des périodes de lumière pendant
la saison de croissance maintient la photosynthèse plus longtemps, compensant en
quelque sorte notre courte saison de végétation.
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Chapitre 68
L
ZOOM SUR LA
STRUCTURE ATOMIQUE
'atome du carbone est petit, avec deux pelures qui contiennent 6 électrons. Le petit diamètre de l'atome confère une
grande force dynamique aux protons du noyau, qui cherchent
toujours des électrons pour atteindre la stabilité du gaz inerte
néon dont les 8 électrons présents sur sa seconde pelure stabilisent sa structure.
Figure 1
Carbone
Cl = (2 + 4) = 6
Néon
Ne = (2 + 8) = 10
e
e
e
e
e
e
P
e
e
e e
P
e
e
e
Légende : P
e
Protons
Électrons
Pelure
e e
e
Figure 2
Figure 3
Voici pourquoi le sigle chimique du carbone ionisé est
C++++, indiquant ainsi qu'il lui faut quatre électrons supplémentaires pour être stable comme le gaz inerte néon (Ne).
QUELQUES STRUCTURES POSSIBLES
L'atome de carbone, par sa dimension et sa structure, est
toujours situé dans la partie interne de la molécule qu'il charpente. Par exemple, on le trouve entouré d'oxygène dans la molécule du gaz carbonique CO2 ou entouré d'hydrogène dans le
gaz méthane CH4. Le carbone s'associe à l'oxygène déjà combiné
à un atome d'hydrogène pour former des aldéhydes (OH). Les
atomes de carbone s'associent pour former des milliers de
chaînes chimiques différentes orientées dans les trois dimensions, comme l'indique la Figure 2.
Association des atomes de carbone
Figure 4
Benzène
Certaines molécules ont des configurations closes à six faces,
appartenant à la classe des benzènes (Figure 3).
La forme structurale est tellement importante que des molécules avec un poids moléculaire et un nombre d'atomes identiques donnent des produits différents appelés isomères. C'est
le cas des gaz butane et méthyle propane.
Figure 5
Dans ses réactions organiques, le carbone agit par le système
de covalence en partageant les attractions entre les deux éléments, comme dans le cas du CO2.
NOMENCLATURE DES PRODUITS
À cause de cette complexité, on a établi un système pour indiquer le nombre et l'arrangement des atomes de carbone présents dans les molécules. Par exemple, le mot octane, un gaz
présent dans l'essence, provient du mot grec octo qui indique 8
carbones. La finale " ane " indique que tous les ligands autour
de l'atome carbone sont attachés individuellement à un atome
d'hydrogène.
Le gaz éthane a deux atomes de carbone rattachés à six
atomes d'hydrogène.
Si on remplace le dernier hydrogène de l'éthane par un (OH)
qui caractérise la formule de l'alcool, on obtient l'alcool éthylique ou éthanol. Le préfixe " eth " indique qu'il y a deux carbones et la terminaison " ane " ou " ol " identifie la nature du
produit.
Si les deux atomes de carbone dans un gaz sont rattachés
l'un à l'autre par 2 ligands, on obtient le gaz éthylène avec deux
atomes d'hydrogène de moins que dans l'éthane.
Si on augmente encore à trois les liens entre les deux atomes
de carbone, il ne reste plus que deux atomes d'hydrogène dans
la molécule de gaz, qui s’appelle gaz (acétylène), utilisé pour les
soudures parce qu'il dégage beaucoup de chaleur en s'oxydant.
Cette fois, le préfixe courant " acétyle " est le même que pour
l'acide acétique ou vinaigre, aussi appelé acide éthanoïque en
chimie.
Figure 6
Figure 7
Éthanol ou alcool éthylique
Formule d’éthane
Figure 8
Figure 9
Acétylène
Ethylène
Figure 10
Diamant, charbon et graphite
Enfin, est-il possible d'avoir des atomes de carbone liés ensemble sans hydrogène ? Oui , puisque c'est la formule du diamant, du charbon et du graphite
(Figure 10).
La force d'attraction entre ces deux atomes de carbone est la plus puissante
entre deux éléments existant sur terre. Elle est supérieure à la force qui unit
les atomes de silicium (Si ) au carbone pour former les abrasifs de carborundum ou d'émeri, expliqués au chapitre 66.
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Chapitre 68
reté de 10, le maximum de tous les minéraux connus dans le
monde. Comment peut-on expliquer que le charbon soit
moins dur que le diamant et que le graphite 100 % carbone
soit le plus mou des minéraux, avec une dureté de 1 ? Les
charbons sont d'origine organique et ne contiennent pas que
du carbone. Ils résultent de la décomposition anaérobie de
matériaux organiques enfouis sous des dépôts minéraux depuis quelques centaines de millions d'années. L’attraction
entre les atomes de carbone en est diminuée. Des variations
dans les conditions de la décomposition anaérobie ont accumulé les produits du pétrole et du gaz naturel.
Le graphite à 100 % carbone est la pierre la plus tendre
qui soit parce que les atomes de carbone s'attachent seulement aux extrémités des tétraèdres et forment des lamelles
très minces sans attraction entre elles.
De cette façon, les lamelles sans attraction glissent facilement les unes sur les autres. Grâce à cette particularité, le
graphite pressé en fins bâtonnets constitue la mine de nos
crayons. Réduit en poudre fine, on le mélange aux huiles pour
améliorer leur pouvoir de lubrification. Les dépôts naturels de
graphite sont très rares. On le synthétise donc industrielleFigure 68.1
Une lamelle de graphite
ment à partir du charbon coke que l'on chauffe à 3 000° C en
l'absence d'oxygène. On mélange du graphite à du plastique
pour fabriquer des fibres synthétiques très fortes et ultra légères comme la fibre des raquettes de tennis. On peut également fabriquer du diamant industriel toujours en chauffant
le graphite à une très haute température sans oxygène. Ce
diamant sert d'abrasif ou d'enduit très dur pour couvrir les
vrilles d'acier. Il est moins dispendieux que le diamant naturel.
Il retournera à l'état de graphite après des siècles d'existence.
S'il y a combustion incomplète du carbone, nous avons de la
suie ou du noir de carbone dans les cheminées. La poudre
noire sert de teinture. Des carbures très inflammables servent
à la fabrication des rayonnes et de la cellophane, etc. Le tétrachlorure de carbone CCl 4 est un solvant très utilisé pour le
nettoyage à sec et dans les extincteurs chimiques. Les cyanures HCN sont des composés azotés du carbone très
toxiques. Le cyanure de fer produit une teinture bleue utilisée
dans la fabrication de l'encre, de peinture, de bleu à laver, de
cosmétiques, etc. Deux ions de cyanure combinés donnent
un liquide cyanogène qui bout à 20° C et qui est utilisé pour
fumigation et comme propulsif pour les roquettes.
Depuis 1985, on peut assembler des chaînes contenant
jusqu'à 82 atomes de carbone pur. On introduit ces chaînes
appelées Fullerene dans des cellules vivantes pour y faire passer des charges électriques. Ceci faciliterait des traitements
anticancéreux directement à l'intérieur des cellules malades.
Le carbone a aussi des réactions chimiques ioniques
comme on en trouve normalement entre des atomes avec
charges électriques différentes, comme le chlorure de calcium. C'est la réaction déjà décrite qui forme le méthane.
CARBONE RADIOACTIF
Le carbone, qui a un poids moléculaire léger de 12, se
comporte aussi comme les éléments radioactifs lourds. Il
capte les rayons cosmiques des étoiles. Ces rayons lui ajoutent
deux électrons sur la seconde pelure, produisant ainsi le carbone 14 sans qu'il y ait de protons dans le noyau pour équilibrer l'ensemble. Les électrons supplémentaires cherchent à
s’évader, créant ainsi une radioactivité. Le carbone radioactif
prend 5 730 ans pour perdre la moitié de son surplus d’électrons (Half Life). Par conséquent, on peut l’utiliser pour établir
l’âge de certains dépôts géologiques récents. On utilise aussi
la radioactivité de l'uranium pour évaluer l'âge des dépôts
ayant plusieurs centaines de millions d'années parce que son
Half Life est de 4 milliards cinq cents millions d'années.
Ces explications sommaires sur la structure de l'atome
du carbone aideront, dans les prochains chapitres, à comprendre les actions du CO2 et de quelques autres produits carbonés dans les activités du monde actuel.
Figure 68.3
Le précieux diamant, cristal minéral le plus dur au monde, est le produit
des atomes isolés de carbone.
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