L’ATOME DE CARBONE – Quelques rappels fondamentaux

L’atome de carbone est l’atome fondamental des structures vivantes.
L’étude des molécules complexes à base de carbone est l’objet de la chimie organique dont nous allons étudier ici les bases fondamentales.
Historiquement le mot chimie organique signifie chimie de la vie, on croyait en effet que seul les êtres vivants pouvaient synthétiser de tels composés.
Les propriétés remarquables du carbone qui en font la particularité sont directement liées à sa position « centrale » dans la classification périodique.

Rappels sur le carbone :

Numéro atomique : Z = 6
Configuration électronique : 1s² 2s² 2p²
Position dans la classification périodique : Ligne 2 – Colonne 14

Schémas de Lewis :
Dans son état fondamental, le carbone possède deux électrons célibataires et sa valence est donc de deux.

Mais il est très généralement dans son état excité 2s¹ 2p³, il possède alors quatre électrons célibataires et sa valence est de quatre.

Dans la très grande majorité des cas qui vont nous intéresser ici, l’atome de carbone utilisera son état excité de valence 4.

Charge nucléaire effective de Slatter :

C : 1s² 2s² 2p²

Z*_C = 6 – 3 * 0,35 – 2 * 0,85 = 3,25

Rayon atomique :

Le rayon atomique se calcule dans le modèle de Slatter par R = a₀ n²/Z*

R_C = 0,529 * 4 / 3,25 = 0,65 A°

Rayon de covalence :
Par définition c’est moitié de la longueur de la simple liaison C-C. c’est une grandeur expérimentale. Les tables donnent R_C = 0,77 A°
On peut calculer approximativement sa valeur par la formule empirique
R = 0,215 n^2/Z* + 0,148 n + 0,225 = 0,215 * 4 / 3,25 + 0,148 * 2 + 0,225 = 0,786 A°
Soit un écart de 2% avec la valeur tabulée.

De par sa position centrale, l’atome de carbone ne peut facilement atteindre la structure d’un gaz rare par ionisation. Il lui faudrait pour cela capter ou perdre 4 électrons pour donner les ions C^4- ou C⁴⁺. Un tel processus n’est pas très facile d’un point de vue énergétique et ne se produit donc que très rarement.

Energies d’ionisation successives en eV :

Molécules organiques :

Une autre possibilité pour le carbone d’obéir à la règle de l’octet est de former des liaisons de covalence avec d’autre atomes. La chimie du carbone sera une chimie de covalence, les composés du carbone seront essentiellement des composés moléculaires.
Le carbone va donc donner facilement des liaisons de covalence avec énormément d’éléments différents.
En particulier, le carbone peut très facilement se lier à lui même pour donner une liaison covalente C-C. Il pourra ainsi se former de très longues chaînes très stables.
Cette facilité et cette diversité des liaisons de covalence que peut donner le carbone avec lui même et avec un grand nombre d’éléments chimiques différent est à l’origine de l’infinie variété des molécules de la chimie organique.

Longueur des liaisons

Les diverses longueurs moyennes de liaisons sont données dans des tables.
On peut aussi les estimer par la formule empirique :
L_AB (A°) = 1,11 (R_A + R_B) – 0,203

R_A et R_B sont les rayons de covalence de A et B exprimés en A° et calculé par la formule précédente.

Pour les liaisons multiples on prendra 86 % pour la liaison double et 78% pour la liaison triple.

Valeurs estimées par la formule : (très proches des valeurs moyennes tabulées)

Valeurs moyennes des énergie des liaisons CX en kJ.mol-1