Karamö, le prof virtuelLeçon 15 sur 16
L'élément carbone et ses réactions
Je sais décrire les différentes formes du carbone, écrire ses combustions complète et incomplète, ses réactions de réduction, et connaître les propriétés des oxydes de carbone.
- 55 min
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Relier la structure électronique du carbone à sa tétravalence
- Distinguer les variétés du carbone (diamant, graphite, carbones amorphes) et leurs usages
- Écrire la combustion complète et la combustion incomplète du carbone et expliquer le danger du monoxyde de carbone
- Utiliser le pouvoir réducteur du carbone et du monoxyde de carbone
- Identifier le dioxyde de carbone et faire des calculs sur ces réactions
Avant de commencer : Les leçons « Structure de l'atome » et « Les liaisons chimiques » (structure électronique, valence) ; « Quantité de matière » (n = m/M, n = V/Vₘ) ; l'oxydoréduction et la réduction des oxydes vues en 10e.
1Je découvre
À Kankan, Mamadou aide sa tante qui vend du charbon de bois au marché. Le soir, la famille fait cuire le riz sur un fourneau à charbon dans la cour. Un soir de pluie, un voisin a voulu rentrer son fourneau encore allumé dans sa chambre fermée pour se chauffer ; le lendemain, il s'est réveillé avec de violents maux de tête et des vertiges. Le médecin a parlé d'une intoxication au « monoxyde de carbone ».
Quelques jours plus tard, au lycée, le professeur montre une mine de crayon et parle des diamants que l'on extrait en Guinée. « Le charbon de bois, la mine de crayon et le diamant, dit-il, sont faits presque du même élément : le carbone. » Mamadou n'en revient pas : le diamant est transparent et le plus dur de tous les matériaux naturels ; le charbon est noir et s'effrite dans la main.
Comment un même élément peut-il donner des corps si différents, et que se passe-t-il quand le carbone brûle ou réagit avec d'autres corps ?
2Je comprends
1. L'atome de carbone
Le carbone a pour symbole C, pour numéro atomique Z = 6 et pour masse molaire 12 g/mol. Sa structure électronique est (K)2(L)4 : il a 4 électrons de valence et il lui en manque 4 pour avoir un octet. Il est donc tétravalent : il forme 4 liaisons covalentes (leçon « Les liaisons chimiques »). Cette tétravalence lui permet de former des chaînes et des réseaux d'atomes : c'est la base de la chimie organique que tu étudieras en détail.
2. Les variétés du carbone
Un même élément peut exister sous plusieurs formes de corps simples, appelées variétés allotropiques, qui ne diffèrent que par l'arrangement des atomes.
| Diamant | Graphite | |
|---|---|---|
| Arrangement | chaque C lié à 4 autres C en tétraèdre, réseau à 3 dimensions | C liés à 3 autres C en feuillets plans d'hexagones, empilés |
| Aspect | transparent, brillant | noir, gris, un peu brillant |
| Dureté | le plus dur des matériaux naturels | très tendre, se clive en feuillets |
| Électricité | isolant | conducteur |
| Masse volumique | 3,51 g/cm³ | environ 2,2 g/cm³ |
| Usages | bijoux, outils de coupe et de forage | mines de crayons, électrodes, lubrifiant |
La Guinée possède des gisements de diamants, exploités notamment dans la région de Kérouané, artisanalement et industriellement.
À côté de ces formes cristallisées existent des carbones dits amorphes, mal organisés et souvent impurs :
- le charbon de bois, obtenu en chauffant du bois à l'abri de l'air (carbonisation) ;
- le coke, tiré de la houille, utilisé dans les hauts fourneaux ;
- le noir de carbone (suie, noir de fumée), qui sert à fabriquer des encres et des pneus ;
- le charbon actif, très poreux, qui retient les impuretés : on l'utilise dans les filtres à eau.
Les chimistes ont aussi découvert des formes plus récentes, comme les fullerènes (molécules en forme de ballon) et le graphène (un seul feuillet de graphite).
3. La combustion du carbone
Combustion complète (dioxygène en excès, bon tirage) : le carbone brûle avec une lueur rouge, sans flamme, et donne du dioxyde de carbone. La réaction dégage beaucoup de chaleur.
C + O2 → CO2
Combustion incomplète (manque de dioxygène : pièce fermée, fourneau étouffé) : il se forme du monoxyde de carbone.
2C + O2 → 2CO
Le monoxyde de carbone est un gaz incolore, inodore et très toxique : il se fixe sur l'hémoglobine du sang à la place du dioxygène et empêche le transport de l'oxygène vers les organes. On ne le sent pas venir : maux de tête, vertiges, somnolence, puis perte de connaissance et parfois la mort. C'est ce qui est arrivé au voisin de Mamadou.
Règle de sécurité : ne jamais utiliser un fourneau à charbon, un réchaud ou un groupe électrogène dans une pièce fermée ; toujours aérer.
À haute température, le dioxyde de carbone peut aussi être réduit par le carbone : CO2 + C → 2CO. Le monoxyde de carbone brûle à son tour avec une flamme bleue : 2CO + O2 → 2CO2.
- Dioxygène en excès
- C + O₂ → CO₂
- Produit : dioxyde de carbone
- Trouble l'eau de chaux
- Manque de dioxygène
- 2C + O₂ → 2CO
- Produit : monoxyde de carbone, très toxique
- Ne trouble pas l'eau de chaux, brûle avec une flamme bleue
Exemple
Brûler 1 kg de charbon de bois.
On assimile le charbon de bois à du carbone pur (en réalité il contient aussi des cendres et un peu d'hydrogène). Données : C 12 ; O 16 g/mol ; Vₘ = 24 L/mol.
n(C) = 1 000 / 12 ≈ 83,3 mol.
Combustion complète : C + O₂ → CO₂, donc n(O₂) = n(CO₂) = 83,3 mol.
V(O₂) = 83,3 × 24 ≈ 2 000 L, soit 2,0 m³ de dioxygène, contenu dans environ 2,0 / 0,21 ≈ 9,5 m³ d'air.
m(CO₂) = 83,3 × 44 ≈ 3 670 g : brûler 1 kg de carbone rejette environ 3,7 kg de dioxyde de carbone.
4. Le carbone réducteur
Le carbone arrache l'oxygène de nombreux oxydes métalliques : il est réducteur.
- 2CuO + C → 2Cu + CO2 (leçon précédente) ;
- 2Fe2O3 + 3C → 4Fe + 3CO2 : c'est ainsi que les forgerons d'autrefois obtenaient le fer dans des fourneaux en terre remplis de minerai et de charbon de bois ;
- avec la vapeur d'eau, à haute température : C + H2O → CO + H2.
Le monoxyde de carbone est lui aussi un réducteur. Dans le haut fourneau, c'est lui qui réduit principalement le minerai de fer : Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2.
5. Le dioxyde de carbone
Propriétés : gaz incolore, inodore, plus dense que l'air (d = 4429 ≈ 1,52) : il s'accumule dans les endroits bas (puits, fosses) ; il n'entretient pas les combustions (on l'utilise dans certains extincteurs) ; il est un peu soluble dans l'eau et la rend légèrement acide.
Test d'identification : il trouble l'eau de chaux (solution d'hydroxyde de calcium) en formant du carbonate de calcium, solide blanc :
CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O
Préparation au laboratoire : action de l'acide chlorhydrique sur le calcaire (carbonate de calcium) :
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O
Le dioxyde de carbone est produit par la respiration des êtres vivants et par toutes les combustions ; il est consommé par la photosynthèse des plantes. C'est un gaz à effet de serre : l'augmentation de sa quantité dans l'atmosphère contribue au réchauffement climatique (leçon suivante).
Méthode
Pour résoudre un problème sur les réactions du carbone :
- Je repère les conditions : excès de dioxygène (CO₂) ou manque (CO) ; oxyde métallique chauffé (réduction).
- J'écris l'équation-bilan équilibrée.
- Je calcule la quantité du réactif connu : n = m/M (solide) ou n = V/Vₘ (gaz).
- J'utilise les coefficients pour trouver les autres quantités.
- Je convertis en masse ou en volume, et je rappelle si besoin les consignes de sécurité (CO toxique, CO₂ qui s'accumule en bas).
Exemple
Réduction de l'oxyde de fer III par le monoxyde de carbone.
Quelle masse de fer obtient-on à partir de 16 kg d'oxyde de fer Fe₂O₃, et quel volume de CO faut-il (Vₘ = 24 L/mol) ?
M(Fe₂O₃) = 160 g/mol ; n = 16 000 / 160 = 100 mol.
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
n(Fe) = 2 × 100 = 200 mol ; m(Fe) = 200 × 56 = 11 200 g = 11,2 kg.
n(CO) = 3 × 100 = 300 mol ; V(CO) = 300 × 24 = 7 200 L = 7,2 m³.
3Je retiens
Je retiens
Carbone : C, Z = 6, (K)²(L)⁴, tétravalent, M = 12 g/mol.
Variétés allotropiques : diamant (très dur, isolant, tétraèdres) ; graphite (tendre, conducteur, feuillets). Carbones amorphes : charbon de bois, coke, suie, charbon actif.
Combustion complète : C + O₂ → CO₂. Combustion incomplète : 2C + O₂ → 2CO.
CO : incolore, inodore, très toxique ; brûle avec une flamme bleue. Jamais de fourneau dans une pièce fermée.
Carbone et CO réducteurs : 2CuO + C → 2Cu + CO₂ ; Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
CO₂ : plus dense que l'air, n'entretient pas la combustion ; trouble l'eau de chaux : CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O.
Préparation : CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O.
4Erreurs fréquentes
- Confondre CO et CO₂ : le monoxyde (CO) est très toxique et brûle ; le dioxyde (CO₂) n'est pas combustible et trouble l'eau de chaux.
- Croire qu'une odeur prévient d'une intoxication : le monoxyde de carbone est inodore ; seule l'aération protège.
- Penser que diamant et graphite sont des éléments différents : ce sont deux variétés du même élément, le carbone.
- Oublier le coefficient 2 dans 2C + O₂ → 2CO : une mole de dioxygène donne deux moles de monoxyde de carbone.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Recopie et complète le tableau pour le diamant et le graphite : dureté ; conductivité électrique ; un usage.
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| Diamant | Graphite | |
|---|---|---|
| Dureté | très dur (le plus dur des matériaux naturels) | très tendre |
| Conductivité électrique | isolant | conducteur |
| Usage | bijoux, outils de forage et de coupe | mines de crayons, électrodes |
2Exercice 2
On brûle 6,0 g de carbone.
a) Dans un excès de dioxygène : écris l'équation, puis calcule la masse et le volume du gaz formé (Vm = 24 L/mol).
b) Dans un manque de dioxygène, tout le carbone donne du monoxyde de carbone : écris l'équation et calcule le volume de gaz formé.
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a) C + O2 → CO2. n(C) = 6,012 = 0,50 mol ; n(CO2) = 0,50 mol ; m(CO2) = 0,50 × 44 = 22 g ; V(CO2) = 0,50 × 24 = 12 L.
b) 2C + O2 → 2CO. n(CO) = n(C) = 0,50 mol ; V(CO) = 0,50 × 24 = 12 L (masse : 0,50 × 28 = 14 g).
3Exercice 3
Pour préparer du dioxyde de carbone, Fatoumata verse de l'acide chlorhydrique en excès sur 5,0 g de calcaire (CaCO3, M = 100 g/mol).
a) Écris l'équation de la réaction.
b) Calcule le volume de dioxyde de carbone obtenu (Vm = 24 L/mol).
c) Comment vérifie-t-elle que le gaz obtenu est du dioxyde de carbone ? Écris l'équation correspondante.
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a) CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O.
b) n(CaCO3) = 5,0100 = 0,050 mol ; n(CO2) = 0,050 mol ; V = 0,050 × 24 = 1,2 L.
c) Elle fait barboter le gaz dans l'eau de chaux, qui se trouble (précipité blanc de carbonate de calcium) : CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O.
4Exercice 4
Explique pourquoi il est dangereux :
a) de dormir dans une chambre fermée avec un fourneau à charbon allumé ;
b) de descendre sans précaution au fond d'un puits où l'on soupçonne la présence de dioxyde de carbone.
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a) Dans une pièce fermée, le dioxygène s'épuise et la combustion du charbon devient incomplète : il se forme du monoxyde de carbone, incolore, inodore et très toxique, qui empêche le sang de transporter le dioxygène. Le dormeur ne s'en rend pas compte et peut en mourir.
b) Le dioxyde de carbone est plus dense que l'air (d ≈ 1,52) : il s'accumule au fond du puits et y remplace l'air. Une personne qui y descend peut manquer de dioxygène et perdre connaissance. Il faut aérer et ne jamais descendre seul.
5Exercice 5
(Synthèse) Pour obtenir du cuivre, on chauffe un mélange de 15,9 g d'oxyde de cuivre II et de 1,2 g de carbone. (Cu : 63,5 ; O : 16 ; C : 12 g/mol)
a) Écris l'équation-bilan. Quel corps est oxydé ? Quel corps est réduit ?
b) Calcule les quantités de matière initiales des deux réactifs. Le mélange est-il dans les proportions de l'équation ?
c) Calcule la masse de cuivre obtenue et le volume de dioxyde de carbone dégagé (Vm = 24 L/mol).
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a) 2CuO + C → 2Cu + CO2. Le carbone est oxydé (il gagne de l'oxygène) ; l'oxyde de cuivre II est réduit (il perd son oxygène).
b) n(CuO) = 15,979,5 = 0,200 mol ; n(C) = 1,212 = 0,100 mol. L'équation demande 2 mol de CuO pour 1 mol de C : 0,2002 = 0,100 = n(C). Le mélange est exactement dans les proportions de l'équation (mélange stœchiométrique).
c) n(Cu) = n(CuO) = 0,200 mol ; m(Cu) = 0,200 × 63,5 = 12,7 g. n(CO2) = n(C) = 0,100 mol ; V(CO2) = 0,100 × 24 = 2,4 L.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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