Classification et paramètres physico-chimiques
Le carbone est capable de former un large éventail de composés avec les halogènes. On les divise traditionnellement en deux groupes principaux :
- Halogénures simples — contiennent des atomes d'un seul halogène. Le point de fusion ($t_{fus}$) augmente de manière régulière avec l'augmentation de la masse molaire de l'halogène :
- Tétrafluorure de carbone ($CF_4$) : fond à $-183,6\ ^\circ C$.
- Tétrachlorométhane, ou chlorure de carbone (IV) ($CCl_4$) : fond à $-22,62\ ^\circ C$.
- Tétrabromure de carbone ($CBr_4$) : $t_{fus} = 92,3\ ^\circ C$.
- Tétraiodure de carbone ($CI_4$) : $t_{fus} = 171\ ^\circ C$.
- Halogénures mixtes — contiennent des atomes de différents halogènes dans une même molécule. Un exemple caractéristique est le composé de formule $CF_2ClBr$, dont le point de fusion est de $-159,5\ ^\circ C$. Il est à noter que la formation de formes mixtes est tout à fait inhabituelle pour les autres non-métaux, ce qui distingue le carbone d'eux.
Application pratique
Les propriétés des halogénures de carbone permettent de les utiliser dans diverses branches de l'industrie et de la pratique de laboratoire. Les principaux domaines d'application comprennent :
- Installations frigorifiques : ils agissent comme frigorigènes. Dans la littérature technique, ils figurent souvent sous les noms génériques de fréons et halons.
- Bombes aérosols : ils sont utilisés comme liquides facilement volatils assurant la pression nécessaire.
- Solvants : leur inercie chimique permet de les utiliser pour l'extraction et la dissolution de diverses substances.
Chlorure de carbone (IV) — CCl4
Le chlorure de carbone (IV), également appelé tétrachlorométhane, est un liquide lourd. La substance est toxique et possède une odeur spécifique qui rappelle celle du chloroforme.
Particularités d'obtention : La tentative de synthèse directe à partir de corps simples (carbone et chlore) ne donne aucun résultat, car le chlore subit uniquement une adsorption physique à la surface du charbon. Pour l'obtention industrielle et de laboratoire, on utilise la réaction de chloration du disulfure de carbone : $$CS_2 + 2Cl_2 = CCl_4 + 2S$$
Comportement vis-à-vis de l'eau (hydrolyse) :
- Dans les conditions normales : $CCl_4$ ne réagit pratiquement pas avec l'eau. Cette propriété le distingue nettement des chlorures d'autres non-métaux (par exemple, le chlorure de phosphore (V) — $PCl_5$), qui s'hydrolysent instantanément.
- En cas d'ébullition prolongée : il se produit une hydrolyse irréversible dont les produits sont le dioxyde de carbone et le chlorure d'hydrogène :
$$CCl_4(l) + 2H_2O(l) = CO_2(g) + 4HCl(g)$$ Ce processus est exothermique, l'enthalpie standard de la réaction est de $\Delta H^\circ = -62,9$ kJ.
Chimie analytique et pratiques de laboratoire
L'étude de ce sujet aborde un certain nombre de problèmes chimiques pratiques basés sur les propriétés des composés du carbone et de leurs sels :
- Épuration des gaz : pour éliminer les traces de chlorure d'hydrogène du dioxyde de carbone, il est nécessaire de choisir le réactif approprié ($NaOH$, $NaHCO_3$ ou $CaCl_2$) qui fixera l'acide sans réagir avec le $CO_2$ lui-même.
- Analyse qualitative : pour distinguer les solutions de carbonate de sodium et de sulfite de sodium, on utilise des oxydants typiques tels que le permanganate de potassium ($KMnO_4$) ou l'iode cristallin ($I_2$).
- Décomposition thermique : l'analyse du comportement des sels de l'acide carbonique lors du chauffage permet d'identifier ceux qui se décomposent complètement en produits gazeux sans laisser de résidu solide.
- Réactions d'échange : analyse de la possibilité de formation d'un précipité de carbonate de calcium ($CaCO_3$) lors du passage de $CO_2$ gazeux dans une solution de chlorure de calcium ($CaCl_2$).
En bref : réponses aux questions sur le sujet
Quel est le mécanisme de l'action toxique (hépatotoxique) du tétrachlorométhane sur l'organisme ?
Le tétrachlorométhane (tétrachlorure de carbone) est classé parmi les poisons industriels et provoque des lésions directes du parenchyme hépatique, pouvant conduire à une insuffisance hépatocellulaire. Lors de l'exposition toxique, les hépatocytes endommagés peuvent être détruits par les cellules Pit contenant de la perforine et des granzymes. Si le patient survit à la phase toxique aiguë, la affection ne devient généralement pas chronique.
Quels sels spécifiques de l'acide carbonique se décomposent complètement en produits gazeux sans résidu solide lors du chauffage ?
Lors du chauffage sans formation de résidu solide, les sources indiquent le carbonate d'ammonium, qui possède une stabilité thermique particulièrement faible. Les carbonates de métaux alcalins fondent sans se décomposer, et le carbonate de calcium se décompose en formant un résidu solide et du dioxyde de carbone.
Quel réactif précis ($NaOH$, $NaHCO_3$ ou $CaCl_2$) faut-il utiliser pour éliminer l'impureté de $HCl$ dans le $CO_2$ et pourquoi ?
Pour purifier le dioxyde de carbone des traces de chlorure d'hydrogène, il convient d'utiliser une solution d'hydrogénocarbonate de sodium ($NaHCO_3$), car il présente des propriétés basiques et réagit avec l'acide fort ($HCl$) pour former du $NaCl$ et de l'acide carbonique. Les sources ne fournissent pas de comparaison complète de ce réactif avec $NaOH$ et $CaCl_2$ dans ce problème.
Pourquoi le passage de $CO_2$ gazeux dans une solution de chlorure de calcium n'entraîne-t-il pas la formation d'un précipité de $CaCO_3$ ?
Le précipité de carbonate de calcium ne se forme pas, car l'acide carbonique faible est incapable de participer à une réaction d'échange avec le chlorure de calcium. Conformément aux propriétés chimiques des acides, dans les réactions d'échange avec les sels, seul un acide plus fort peut déplacer un acide plus faible de son sel. L'acide chlorhydrique ($HCl$), dont le résidu forme le $CaCl_2$, est un acide fort, de sorte que le dioxyde de carbone dissous dans l'eau ne peut pas déplacer les ions chlorure.
Les halogénures de non-métaux craignent l'eau immédiatement, tandis que le chlorure de carbone ne la craint qu'en cas d'ébullition prolongée.
Questions des cours et des examens
Peut-on obtenir du tétrachlorométhane par interaction directe entre le charbon et le chlore ?
Non, l'interaction directe est impossible. Le chlore est seulement adsorbé physiquement à la surface du charbon. Pour la synthèse du $CCl_4$, on utilise la réaction du chlore avec le disulfure de carbone ($CS_2$).
En quoi l'hydrolyse du $CCl_4$ diffère-t-elle de celle du $PCl_5$ ?
Dans les conditions normales, le $CCl_4$ ne réagit pratiquement pas avec l'eau, alors que les chlorures d'autres non-métaux (comme $PCl_5$) s'hydrolysent très rapidement. L'hydrolyse du tétrachlorométhane ne s'amorce qu'en cas d'ébullition prolongée.
Comment peut-on distinguer une solution de sulfite de sodium d'une solution de carbonate de sodium ?
On peut les distinguer en ajoutant des oxydants — une solution de permanganate de potassium ($KMnO_4$) ou d'iode ($I_2$) —, qui réagiront avec le sulfite mais pas avec le carbonate.
À étudier également sur le sujet
- Régularités de variation des points de fusion des halogénures de carbone
- Calculs stœchiométriques lors de la dissolution du $CO_2$ dans des solutions de carbonates
- Réactions d'oxydoréduction impliquant le carbone et des sels ($KClO_3$, $KNO_3$, $Na_2SO_3$)
- Interaction d'oxydes métalliques ($Fe_2O_3$, $PbO_2$) avec des acides et le monoxyde de carbone
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