CB09: Le carbone, une substance possédant différentes formes allotropes: le diamant, le graphite, les fullerènes

Dans le diamant (à gauche), chaque atome de carbone est lié, via des orbitales à hybridation sp³, à quatre autres atomes de carbone dans une enveloppe tétraédrique. Tous les électrons de valence de chaque atome de carbone sont appariés dans des orbitales de liaison. Par conséquent, le diamant possède un point de fusion élevé, est stable, fait office d’isolant et représente la substance la plus dure sur terre.

Contrairement au diamant qui est transparent avec un indice de réfraction élevé, le graphite (au milieu) représente une matière tendre de couleur noire. Le graphite est constitué par des couches d’anneaux plats hexagonaux d’atomes de carbone. Les couches sont maintenues ensemble par des forces de London relativement faibles (voir les illustrations CB13 et CB15). Par conséquent, les couches glissent facilement l’une par-dessus l’autre. Pour cette raison, on utilise le graphite comme lubrifiant.
Dans le graphite, chaque atome de carbone est lié, via des orbitales à hybridation sp², à trois autres atomes de carbone. On peut le représenter sous la forme d’un hybride de résonance dans lequel chaque liaison possède un caractère de double liaison partielle s’élevant à 1 1/3.

Par atome de carbone, trois électrons de valence contribuent à la formation des trois liaisons s. Le quatrième électron forme, avec un de ses voisins, une liaison p. Il ne s’agit pas d’une liaison localisée, mais d’une liaison qui se déplace librement à travers le système p. Parallèlement aux couches, on constate une conductivité élevée, tandis que l’on constate une faible conductivité perpendiculairement aux couches.

En 1985, on a découvert une nouvelle forme allotrope, la troisième du carbone (à droite). En fait, il s’agit de toute une série de structures dont la plus connue est probablement le fullerène C₆₀ de Buckminster, qui tire son nom du célèbre architecte américain. Cette molécule est constituée par 60 atomes de carbone répartis en 20 hexagones et en 12 pentagones comme dans un ballon de football. Pour cette découverte, Robert F. Curl, Sir Harold W. Kroto et Richard E. Smalley ont reçu en 1996 le prix Nobel de chimie. A côté du C₆₀, il existe encore d’autres “fullerènes” tels que le C₇₀, toutes sortes de structures en forme de “ballon de rugby” ou en forme de cigare, ainsi que ce que l’on appelle des nanotubes.
Récemment, on a également synthétisé des composés à partir de fullerènes tels que des fullerides dans lesquels est intercalé un métal.

Exemples d’autres types de fullerènes:
C₇₀, un C₆₀ légèrement étiré:

nanotube: