Le carbone (C) est un élément très flexible et peut former un certain nombre d’ions différents. Le carbone a une enveloppe extérieure composée de 4 électrons de valence. Cela signifie qu’il peut soit ajouter 4 électrons pour gagner une coque extérieure complète, soit perdre 4 électrons pour se débarrasser de sa coque extérieure.
Ainsi, un ion carbone peut avoir une charge de -4 à +4, selon qu’il perd ou gagne des électrons. Bien que les états d’oxydation les plus courants du carbone soient +4 et +2, le carbone est capable de produire des ions avec des états d’oxydation de +3, +1, -1, -2, et -3.
Aperçu
À proprement parler, le carbone ne forme presque jamais d’ions monatomiques autonomes, comme le pourraient le sodium (Na) ou le chlore (Cl). Le carbone est généralement un élément très stable qui résiste au gain ou à la perte d’électrons. Le carbone est presque également électropositif et électronégatif, il a donc rarement besoin de gagner ou de perdre des électrons. La plupart du temps, le carbone se contente de former des liaisons covalentes et de partager des électrons au lieu de former un ion. Il est tout à fait possible de créer des ions carbone monatomiques, cela nécessite juste une grande quantité d’énergie qui augmente pour chaque électron subséquent éliminé.
Le carbone, cependant, est capable de former des ions polyatomiques. La structure électronique flexible du carbone lui permet de se former comme noyau d’ions polyatomiques. Beaucoup de ces ions polyatomiques, y compris le carbone, sont essentiels à la vie telle que nous la connaissons et jouent un rôle important dans les organismes vivants. D’autres sont importants pour comprendre le comportement des minéraux, et d’autres sont utilisés dans l’industrie comme carburant, matériaux de construction et solutions de nettoyage. Parce que le carbone est un élément aussi flexible, les nombreux ions polyatomiques possibles que le carbone peut former varient considérablement dans leurs propriétés.
» Nous définissons la chimie organique comme la chimie des composés carbonés. »- August Kekule
Qu’Est-Ce Qu’Un Ion ?
Un ion est un atome ou une molécule qui a une charge électrique non neutre. Les atomes électriquement neutres deviennent des ions par l’élimination ou l’addition d’électrons. Puisque les électrons ont une charge égale et opposée aux protons, la charge électrique nette sur un ion provient de l’atome ayant une quantité inégale de protons et d’électrons. Les atomes simples qui sont des ions sont appelés ions monatomiques et les molécules multi-atomes avec une charge électrique non neutre sont appelées ions polyatomiques. Les ions chargés positivement sont appelés cations et ont plus de protons que d’électrons. Les ions chargés négativement sont appelés anions et ont plus d’électrons que de protons. Les chimistes représentent les ions en ajoutant un exposant positif ou négatif à côté de la formule chimique d’une substance. Un atome de carbone qui a perdu un seul électron et qui a donc une charge positive s’écrit C1⁺. Inversement, un atome de carbone qui a gagné un seul électron et a une charge négative s’écrit C1⁻.
La tendance d’un atome ou d’une molécule à former un cation est déterminée par l’énergie d’ionisation de la substance. L’énergie d’ionisation est une mesure de la quantité d’énergie que l’atome ou la molécule doit absorber pour décharger l’un de ses électrons, laissant ainsi une charge positive. En général, l’élimination d’un seul électron d’un atome neutre coûte le moins d’énergie, l’énergie d’ionisation requise augmentant pour chaque électron suivant. Par exemple, la 1ère énergie d’ionisation du carbone est de 1086,5 kJ/mol. Autrement dit, il faut 1086,5 kJ d’énergie pour éliminer un seul électron d’une mole de carbone. La 2ème énergie d’ionisation du carbone est de 2352,6 kJ / mol, soit plus de deux fois l’énergie requise par rapport à la première énergie d’ionisation.
La tendance d’un atome à former un anion est déterminée par son électronégativité. L’électronégativité (EN) d’une substance est une mesure de la quantité d’électrons qu’elle attire. Plus un élément est électronégatif, plus il est susceptible d’acquérir des électrons supplémentaires, donc plus il est susceptible de former des anions. Le carbone a un EN de 2,55 sur l’échelle de Pauling, une valeur à peu près au milieu. En revanche, l’oxygène (O) a un EN de 3,44; très électronégatif. L’oxygène est très susceptible de remplir ses deux fentes de valence ouvertes d’électrons pour former un anion O2.
Les ions fabriqués à partir d’atomes simples sont appelés monatomiques. Les ions fabriqués à partir de molécules à atomes multiples sont appelés ions polyatomiques. Les ions polyatomiques sont des composés chimiques qui ont une charge électrique non neutre. Tout comme les ions monatomiques, les ions polyatomiques ont une quantité inégale d’électrons et de protons. Lors de l’écriture de la formule pour un polyatomique, le composé est écrit entre crochets et la charge électrique est écrite en exposant en dehors des crochets. L’ammonium, par exemple, est un ion polyatomique de formule chimique +. L’ammonium contient un électron de moins que les protons et a donc une charge électrique globale de +1. D’autres ions polyatomiques comprennent l’hydroxyde (-) et le sulfate (2−).Les ions
ne sont pas les mêmes que la polarité. Une molécule polaire a une charge électrique partielle tandis que les ions ont des charges complètes. La charge d’un ion est toujours une valeur entière. Les ions sodium ont une charge de +1, les ions chlore une charge de -1. Les molécules polaires ont des dipôles partiellement chargés et leur valeur de charge n’est pas un entier. La charge de l’extrémité négative de l’oxygène dans l’eau est d’environ -2 / 3e, soit environ les deux tiers de la charge d’un seul électron.
Carbone Sous forme d’Ion
Ions monatomiques Avec du carbone
Le carbone étant un élément électriquement stable, il ne forme presque jamais naturellement d’ions carbone monatomiques autonomes sous forme de C3⁺ ou C⁴⁻. Il n’y a rien en particulier qui empêche la formation d’ions carbone, seulement le fait qu’il nécessite pas mal d’énergie pour le faire. Au lieu de perdre ou de gagner des électrons, le carbone formera la plupart du temps une liaison covalente via le partage des électrons. Par exemple, le carbone formera du méthane (CH4) en partageant ses 4 électrons externes avec l’hydrogène L’hydrogène n’est pas assez électronégatif pour prendre des électrons du carbone et le carbone n’est pas assez électronégatif pour prendre des électrons de l’hydrogène. Ainsi, le carbone partage simplement chacun de ses 4 électrons externes avec le seul électron externe de chaque hydrogène.
Un moyen de former des ions de carbone monatomiques autonomes à partir d’un nuage de carbone gazeux consiste à utiliser un laser. Le carbone se sublime en un gaz à haute température. Ensuite, un laser peut être tiré sur les atomes de carbone individuels pour éliminer les électrons et produire des ions carbone. Théoriquement, vous pourriez ioniser complètement un atome de carbone en supprimant tous ses électrons de cette façon. Ce procédé n’est pas particulièrement pratique ou utile car chaque électron retiré de l’atome de carbone nécessite de plus en plus d’énergie.
Ions polyatomiques Avec du carbone
Le carbone, cependant, est capable de produire naturellement un certain nombre d’ions polyatomiques. Le carbone étant un élément très flexible, les différents ions polyatomiques qu’il peut former ont des propriétés chimiques très différentes. Certains sont relativement ternes et inertes, tandis que d’autres peuvent être dangereux ou extrêmement volatils. Le carbone est l’un des constituants les plus fréquents des divers ions polyatomiques naturels connus.
Le carbone et l’azote (N), par exemple, se combinent pour former le cyanure d’anion (−), un composé extrêmement toxique. Le cyanure est composé d’un atome de carbone triple lié à un atome d’azote. Le cyanure est naturellement produit par de nombreuses plantes et champignons, souvent comme mécanisme de défense. Le cyanure peut se lier à un atome d’hydrogène pour former de l’acide cyanhydrique (HCN), un composé extrêmement corrosif qui peut être fatal à petites doses.
Un autre ion polyatomique commun contenant du carbone est le carbonate (2-). Les ions carbonate forment des liaisons ioniques avec de nombreux autres composés pour former des sels et des minéraux. La plupart des roches sédimentaires contiennent des ions carbonate, normalement liés au calcium pour former du carbonate de calcium (CaCO3). D’autres composés carbonatés comprennent le carbonate de fer (FeCO3) et le carbonate de sodium (Na2CO3). Le carbonate de calcium est également le composant principal des coquilles de mollusques et des squelettes de coraux.
» J’ai réalisé que c’était comme une agence de rencontres; les ions sont les âmes perdues à la recherche de partenaires; l’électrolyte est l’agence qui peut les aider à se retrouver. »- Victoria Finlay
Il existe une famille importante de composés appelés carbures qui sont formés en liant des ions carbone avec des métaux alcalins et alcalino-terreux hautement électropositifs. Ces carbures peuvent être divisés en trois groupes, en fonction du caractère du ou des ions carbone centraux. Les méthanides sont formés avec un noyau en C4, les acétylides avec un noyau en C₂2 et les sesquicarbures avec un noyau en C₃4. La plupart de ces composés de carbure peuvent être produits en décomposant des composés de carbone liés de manière covalente.
L’acétate composé est un ion polyatomique important contenant du carbone. L’acétate (−ou−) est omniprésent dans la nature car il est l’un des principaux éléments constitutifs de la biosynthèse. L’acétate dans le corps est utilisé pour créer des acides gras, l’un des lipides les plus importants, et pour fabriquer de l’acétyl-CoA, qui est impliqué dans la respiration cellulaire.
Thérapie par ions carbone
Les ions carbone ont également trouvé une utilisation de niche pour traiter les tumeurs par radiothérapie. La radiothérapie au carbone consiste à traiter les tumeurs en tirant des particules de carbone fortement ionisées sur les tumeurs. Les particules de carbone ionisées peuvent endommager la structure cellulaire des cellules tumorales, arrêter leur croissance et les tuer. La thérapie par ions carbone présente des avantages par rapport aux formes traditionnelles de radiothérapie en ce sens que les noyaux plus lourds des atomes de carbone permettent un traitement plus précis et plus puissant. Les noyaux lourds, par opposition au rayonnement photonique, sont capables d’être dirigés par des champs magnétiques, de sorte qu’ils peuvent être manipulés plus précisément pour cibler les tumeurs.