Carbone

Difficulté :
Danger :
Durée :
5 minutes
Carbone

Sécurité

Règles générales de sécurité
  • Éviter tout contact des produits chimiques avec les yeux ou la bouche.
  • Éloigner les jeunes enfants, les animaux et les personnes sans équipement de protection des yeux de la zone où sont réalisées les expériences.
  • Ranger ce coffret d’expériences hors de portée des enfants de moins de 10 ans.
  • Nettoyer la totalité du matériel après utilisation.
  • S’assurer que tous les récipients sont hermétiquement fermés et convenablement stockés après utilisation.
  • S’assurer que tous les récipients vides sont correctement éliminés.
  • Ne pas utiliser d’autre matériel que celui fourni avec le coffret ou recommandé dans la notice d’utilisation.
  • Ne pas remettre les denrées alimentaires dans leur récipient d’origine. Les jeter immédiatement.
Informations générales de premiers soins
  • En cas de contact avec les yeux : laver abondamment à l’eau en maintenant les yeux ouverts si nécessaire. Consulter immédiatement un médecin.
  • En cas d’ingestion : rincer la bouche abondamment avec de l’eau, boire de l’eau fraîche. Ne pas faire vomir. Consulter immédiatement un médecin.
  • En cas d’inhalation : transporter la personne à l’extérieur.
  • En cas de contact avec la peau et de brûlures : laver abondamment à l’eau la zone touchée pendant au moins 10 minutes.
  • En cas de doute, consulter un médecin sans délai. Emporter le produit chimique et son récipient.
  • En cas de blessure, toujours consulter un médecin.
Conseils pour les adultes superviseurs
  • L’utilisation incorrecte des produits chimiques peut engendrer des blessures et nuire à la santé. Réaliser uniquement les expériences décrites dans les instructions.
  • Ce coffret d’expériences est à utiliser uniquement par des enfants de plus do 10 ans.
  • Compte tenu de très grandes variations des capacités des enfants, même au sein d’un groupe d’âge, il convient que les adultes surveillants apprécient avec sagesse quelles sont les expériences appropriées et sans risque pour les enfants. Il convient que les instructions permettent aux adultes surveillants d’évaluer chacune des expériences afin de pouvoir déterminer son adéquation à un enfant particulier.
  • Il convient que l’adulte surveillant s’entretienne des avertissements et des informations de sécurité avec l’enfant ou les enfants avant de commencer les expériences. Il convient d’accorder une attention particulière à la sécurité lors de la manipulation d’acides, d’alcalis et de liquides inflammables.
  • Il convient que la zone où sont réalisées les expériences soit sans obstacle et ne soit pas située près d’une réserve de denrées alimentaires. Il convient qu’elle soit bien éclairée et aérée, et à proximité d’une adduction d’eau. Il convient d’utiliser une table solide dont la surface est résistante à la chaleur.
  • Il convient d’utiliser complètement les substances contenues dans des emballages non refermables au cours d’une expérience, c’est-à-dire après l’ouverture de l’emballage.

Description scientifique

La petite boîte de ce coffret contient des modèles de charbon de bois , de graphite  et de diamant . Croyez-le ou non, tous trois sont constitués du même élément chimique : le carbone , noté « C ». Mais comment se fait-il qu'ils soient si différents d'aspect, alors qu'ils ont la même base ? Tout dépend de la disposition de leurs atomes !

Dans le charbon , les atomes de carbone  sont disposés sans ordre précis et forment une structure poreuse. Cela le rend si fragile qu'il s'effrite facilement. Cette structure a toutefois l'avantage de faciliter l'adhérance des impuretés – ce qui en fait un excellent adsorbant, d'où son utilisation dans les filtres à eau.

Dans le graphite , les atomes de carbone  forment des couches alvéolées qui se dissocient facilement. Cela lui permet de laisser des traces sur du papier, d'où son utilisation comme mine de crayon. Cette structure particulière fait du graphite un bon conducteur d’électricité, contrairement aux autres formes de carbone.

Dans le diamant , les atomes  forment une structure dense et cohérente qui lui donne sa brillance et une résistance exceptionnelle. Ainsi les diamants font non seulement de beaux bijoux, mais aussi de bons abrasifs pour la coupe de matériaux durs.

Le carbone existe-t-il sous d'autres formes ?

Bien sûr! Le carbone est, de tous les éléments, celui qui détient le record du nombre de structures pouvant être formées par ses atomes. Ces structures sont appelées variétés allotropiques.

En effet, les atomes de carbone sont un peu comme les Legos de la nature : ils peuvent former, à eux seuls, une multitude de structures différentes. Les scientifiques en découvrent constamment de nouvelles, chacune ayant des propriétés spécifiques et intéressantes. Parmi elles se trouvent des structures aussi étranges que les fullerènes et les nanotubes de carbone. Les molécules de fullerène С60 ressemblent à des ballons de football, et un nanotube est une couche de carbone en forme de nid d'abeille, enroulé en tube creux.

Les nanotubes de carbone rendent possible le concept d'ascenseurs spatiaux !

Les livres et films de science-fiction explorent souvent l'idée d'un ascenseur spatial : un appareil futuriste qui peut envoyer des personnes et des marchandises de la Terre vers l'espace à l'intérieur de capsules qui glissent le long d'un câble géant. Le futur est plus proche qu'il n'y paraît ! Les scientifiques pensent que les nanotubes de carbone peuvent rendre possible la création de l'ascenseur spatial !

Le câble d'un tel ascenseur doit être incroyablement solide et extrêmement léger pour ne pas se casser sous son propre poids. Actuellement, les nanotubes de carbone sont le seul matériau qui puisse convenir à cette tâche. Seuls de courts fragments de nanotubes sont disponibles actuellement, mais les scientifiques prédisent que nous serons en mesure de créer des nanotubes suffisamment longs d'ici 2030. Qui sait, peut-être que l'ascenseur spatial n'est plus seulement un concept de science-fiction, mais une réalité qui attend son heure ?

Chimie organique : la chimie du carbone

Avec sa capacité à s'agencer de différentes manières, le carbone forme toute une classe de composés appelés composés organiques et toute une branche de la chimie appelée chimie organique. Leurs noms proviennent du fait que bon nombre de ces substances sont les composantes de base des organismes vivants. Il s'agit essentiellement des protéines, des graisses et des glucides, composés de chaînes et d'anneaux d'atomes de carbone, liés à des atomes d'autres éléments, le plus souvent de l'hydrogène H, de l'oxygène O, ou de l'azote N. Saviez-vous que le carbone, le même élément dont se composent les diamants, est aussi l'un des principaux éléments constitutifs de notre corps ?

Quelle est la différence entre un atome et un élément chimique ?

Si on compare les atomes aux Legos, alors les éléments sont les différents types de « Legos » qui existent dans la nature. Ils diffèrent les uns des autres par la taille et la façon dont ils se lient les uns aux autres. Certaines substances sont constituées d'atomes du même élément, tandis que d'autres sont constituées d'atomes d'éléments différents. Par exemple, le graphite est composé exclusivement d'atomes de carbone C, tandis que le saccharose, que l'on connait sous le nom de sucre ordinaire, est composé de carbone C, d'hydrogène H et d'oxygène O.

Afin de classifier tous les éléments chimiques existants, les scientifiques utilisent un « catalogue » spécifique, connu sous le nom de tableau périodique des éléments, où ils sont classés en fonction de leurs propriétés.

Ça, c’est intéressant !

Peut-on transformer du charbon ou du graphite en diamant ?

Étant donné que le charbon, le graphite et le diamant sont tous constitués des mêmes atomes, et qu'ils ne différent que par la manière dont ces atomes sont liés les uns aux autres, il est normal de se poser la question suivante : est-il possible de réorganiser ces liaisons et de transformer une forme de carbone en une autre ? Peut-on par exemple transformer du charbon ou du graphite en diamant ?

Commençons par découvrir comment les diamants sont formés dans la nature. Dans le manteau terrestre, les atomes de carbone sont exposés à une chaleur intense (des milliers de degrés) et à une pression très élevée (des centaines de milliers d'atmosphères). Ce sont ces conditions qui permettent aux atomes de s'arranger en une structure extrêmement dense comme celle du diamant. Puis, en raison des éruptions volcaniques, des déplacements géologiques et de l'érosion, ils montent et se propagent à la surface de la Terre.

Les scientifiques ont découvert comment fabriquer des diamants synthétiques en utilisant des dispositifs spéciaux pour simuler des conditions naturelles, comme des pressions et des températures extrêmement élevées, et les appliquer à des sources de carbone. Le graphite peut être utilisé à ces fins, mais pas le charbon. Quelle est la différence ? Tout est question de pureté.

Les diamants incolores sont faits de carbone très pur. Des traces minuscules d'autres éléments peuvent leur donner une certaine couleur (le bore, par exemple, rend les diamants bleus, tandis que l'azote les jaunit), mais de telles traces sont présentes en très petites quantités, comme un atome par million d'atomes de carbone. Une quantité plus importante d'impuretés empêcherait tout simplement la formation de la structure du diamant ; une source de carbone pure est donc essentielle. La structure poreuse du charbon lui permet d'absorber facilement des impuretés donc il ne convient pas à cet usage. Le graphite, grâce à sa structure, ne permet pas aux particules étrangères de le pénétrer. Par conséquent, c'est le graphite qui est utilisé dans l'industrie pour produire des diamants synthétiques, tels que ceux présents dans votre coffret.