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Très largement répandu dans la nature, avec plus d’un million de molécules répertoriées dans la littérature scientifique, et formant plus de composés que tous les autres éléments combinés, le carbone ne représente pourtant que 0.025% de la croûte terrestre.
La masse totale de carbone est estimée entre 20'000 et 50'000 milliards de tonnes. Il est présent en majorité dans les océans (74%), sous forme d’ions carbonates et bicarbonates, ainsi que dans les restes d’organismes morts sous forme fossile (22%), dans les organismes vivants (3%) et dans l’atmosphère (1%).
De par ses propriétés uniques, notamment sa capacité à former des liaisons tant simples, doubles que triples avec lui-même, le carbone est à l’origine de ce qu’est possiblement le plus complexe des phénomènes physiques: la vie.
Tous les organismes vivants, des plantes aux animaux, en passant par les bactéries et les champignons, ont pour composés fondamentaux des molécules basées sur le carbone: protéines, lipides, hydrates de carbone, acides nucléiques.
Origine des atomes de carbone
Dans l’univers, les atomes de carbone sont originellement produits dans les étoiles par fusion de 3 atomes d’hélium (de numéro atomique 2) en 1 atome de carbone (de numéro atomique 6) et représentent dans le cosmos, en termes de masse globale, le 4e élément le plus abondant après l’hydrogène, l’hélium et l’oxygène.
Allotropes et composés du carbone
A l’exception des éléments chimiques dits «nobles» (hélium, néon, argon, etc.) qui à cause de leur couche de valence complète sont stables par eux-mêmes, tous les autres éléments, et donc les atomes de carbone, ne sont stables sur Terre qu’associés à d’autres éléments.
De par sa tétravalence (capacité à former 4 liaisons), le carbone forme des chaînes et des cycles complexes essentiels aux molécules constituant les organismes vivants. Mais il forme aussi des structures faîtes exclusivement d’atomes carbone et ne différant que par l’arrangement tridimensionnel de ses derniers.
Ces formes cristallines diverses sont appelées «allotropes» du carbone, les plus connues étant le graphite (constituant des mines des crayons) et le diamant. Alors que dans le premier les atomes forment des couches planes parallèlement et faiblement reliées, dans le dernier ils constituent un arrangement tridimensionnel régulier et hautement compact à l’origine des propriétés uniques de ce matériau, connu comme le plus dur sur Terre.
La datation au carbone 14 comme outil de mesure
Le carbone a deux isotopes stables: le carbone 12, le plus commun, représentant 98.89% du carbone naturel et le carbone 13, quantitativement 1.11%. Quant aux isotopes instables, le carbone en possède deux: le carbone 11 dont l’existence est extrêmement courte, et le carbone 14 dont la demi-vie est quant à elle de 5730 ± 40 années.
Les organismes vivants, principalement à travers les processus de photosynthèse et de respiration, consomment et produisent continuellement du carbone, relâchant ce dernier notamment sous forme de carbone atmosphérique. En conséquence, tant que l’organisme est vivant, la proportion de carbone 12 par rapport à celle du carbone 14 est maintenue constante et est égale à la proportion présente dans l’atmosphère. A la mort de l'organisme, ce renouvellement est interrompu et la quantité totale de carbone 14 vis-à-vis du carbone 12 diminue avec le temps.
Cette diminution peut être retracée, permettant ainsi de déduire le temps écoulé depuis le décès et d’obtenir une date plus ou moins précise. C’est ce que l’on appelle la datation au carbone 14.
Le gallium est un métal dont la découverte a créé une sensation universelle, non pas à cause de ses propriétés, mais parce que c’est un atome dont l’existence avait été prévue par Mendeleiev avant même qu’on le découvre dans la nature.