Question centrale

Quelles sont certaines des caractéristiques de la molécule de carbone 60 (footballène) ?

Matériel requis

• Deux exemplaires du modèle 1 et un exemplaire du modèle 2 à imprimer sur du papier cartonné.
• Une paire de ciseaux
• Du ruban adhésif
• Facultatif : feutre et une règle

Idées principales et notions de base

• Le carbone-60 (C₆₀) est une molécule de carbone qui a été découverte relativement récemment (1985). Elle a la forme d’un icosaèdre tronqué, un des nombreux solides géométriques, avec un atome de carbone à chacun de ses 60 sommets. Cette molécule a les mêmes caractéristiques géométriques qu’un ballon de football.
• Cette molécule et les autres ont une construction géométrique similaire à celle des atomes de carbone que l’on appelle fullerènes. Ces molécules ont été baptisées d'après le nom de l'ingénieur et inventeur qui les a découvertes, Buckminster Fuller. Fuller a développé des formes pour de nombreuses innovations, y compris la coupole géodésique. La molécule C₆₀ est souvent appelée footballène à cause de sa ressemblance troublante avec la structure géodésique de Fuller.
• Pendant de nombreuses années, les autres formes connues du carbone étaient le diamant et le graphite.
• Chaque atome de carbone comporte quatre électrons dans son enveloppe extérieure. Ces électrons peuvent être partagés avec d'autres atomes. Quand deux atomes partagent des électrons de leurs enveloppes extérieures, une liaison moléculaire se crée entre deux atomes.
• Pour avoir une configuration stable, un atome de carbone doit avoir ses quatre électrons extérieurs liés. Pour le modèle de footballène, les arêtes (les lignes entre les atomes de carbone) représentent les liaisons. Un atome de carbone a uniquement trois liaisons apparentes à son sommet, ce qui est représenté par trois arêtes se rejoignant. Notez que pour tout sommet, deux des trois arêtes font partie d'un pentagone alors que la troisième arête se trouve entre deux hexagones.
• Les deux arêtes le long du pentagone sont des liaisons simples. Chaque liaison simple est constituée d’un des quatre électrons extérieurs provenant d’un des deux atomes de liaison. L’arête entre les hexagones représente une double liaison qui est constituée de deux électrons extérieurs dans chacun des deux atomes de liaison. Les deux liaisons simples et la liaison double sont constituées des quatre électrons extérieurs dans chaque atome de carbone, ce qui donne à la footballène sa configuration stable.
• Chaque arête (liaison carbone-carbone) d’une footballène» a une longueur approximative de 0,14 nanomètres (nm). Un nanomètre est égal à un millionième de centimètre ou 0,0000001 cm. Une feuille de papier standard a une épaisseur de 100 000 nm, ce qui correspond à une ligne de 700 000 footballènes.
• La structure d'un fullerène de carbone inclut généralement de nombreuses molécules disposées différemment et non pas uniquement des footballènes. Ces dispositions sont solides et adaptables. Elles peuvent former la base d’une matière plus légère et plus résistante que l’acier. A l’avenir, la molécule the C₆₀ pourrait être utilisée comme « cage » servant au transport et à la protection de molécules composant d’autres substances. Pour en savoir plus, cliquez sur la rubrique Creusons un peu.
• La découverte des fullerènes a permis de faire un pas en avant vers la nanotechnologie, qui est l'étude et l'utilisation des particules dont la taille est comprise entre 1 et 100 nm. On explore actuellement différentes possibilités d’application intéressantes.

Conseils sur le déroulement de l'expérience

• Proposition : Avant de découper les modèles, tracez un point avec un feutre sur le sommet de tous les hexagones afin d'indiquer l’emplacement des atomes de carbone. Après assemblage de la footballène, les points montrent clairement la structure géométrique des atomes.
• Avant de coller les morceaux des hexagones ensemble comme indiqué aux étapes 2 et 5, pliez le papier cartonné le long de la ligne entre les hexagones adjacents. Cela permettra de donner au solide sa forme angulaire.
• Assurez-vous de bien plier le joint collé également lorsque vous collez les différentes parties ensemble.
• Proposition : Après assemblage de la footballène, tracez une ligne le long de la pliure entre toutes les paires d’hexagones. Ces lignes représentent les liaisons doubles. Ne tracez pas de repères le long des lignes qui forment les pentagones. Chaque hexagone doit se terminer par des liaisons simples et doubles placées alternativement autour de son périmètre, pour obtenir un total de trois liaisons simples et trois liaisons double.

Discussion

1. Les atomes de carbone dans une footballène comportent des anneaux comprenant 5 ou 6 atomes. Combien de types d’anneaux y-a-t’il ?
   Réponse : Il y a 12 anneaux comportant 5 atomes (pentagones) et 20 anneaux comportant 6 atomes (hexagones).

2. Combien d’anneaux comprenant 5 ou 6 atomes sont identiques et combien sont différents ?
   Réponse : Les deux types d'anneaux sont semblables car chaque anneau est formé par des atomes de carbone. Mais ils sont différents car le nombre d'atomes de carbone que chacun d'entre eux comporte, varie. Leurs voisins sont également différents. Chaque anneau comportant 5 atomes (pentagone) a pour voisin des anneaux comportant six atomes, mais il n'existe aucune limite commune avec d’autres anneaux de cinq atomes. Chaque anneau comportant 6 atomes (hexagone) a pour voisin des anneaux comportant 5 atomes et 3 atomes de manière alternée. (Dans certains livres de sciences, les anneaux comportant 5 atomes sont dits isolés et les anneaux comportant 6 atomes sont dits contigus, ce qui signifie que chaque anneau de 6 atomes a une limite commune avec un autre anneau de 6 atomes.

3. Combien de liaisons simples et combien de liaisons doubles un atome de carbone dans une footballène comporte-t-il ?
   Réponse : Chaque atome de carbone comporte deux liaisons simples représentées par des arêtes le long des pentagones et une liaison double représentée par les arêtes entre les hexagones.

4. Combien de liaisons simples et combien de liaisons doubles comporte une footballène en tout ?
   Réponse : Les élèves peuvent compter 60 liaisons simples et 30 liaisons doubles. Toutefois, encouragez-les à effectuer leurs calculs eux-mêmes, tout en sachant qu’il y a 60 atomes de carbone, chacun comportant deux liaisons simples et une liaison double. Chaque liaison comporte deux atomes ; ainsi chaque atome contribue pour moitié aux deux liaisons simples et pour l'autre moitié à la liaison double.

5. Si chaque liaison a une longueur approximative de 0,14 nm, quel est le diamètre approximatif d’une footballène ?
   Réponse : On peut l’estimer à 0,7 nm environ. Consultez également le site  Edinformatics.com pour y trouver des informations intéressantes, y compris une footballène virtuelle que les élèves peuvent mesurer en angströms pour confirmer leurs estimations. Un nanomètre équivaut à 10 angströms.

6. Qui y’a-t-il au centre d’une footballène ?
   Réponse : Rien ! Une footballène est une molécule creuse. C’est une des caractéristiques qui la rende si intéressante aux yeux des scientifiques. Ils essayent de trouver des moyens pour utiliser cette « cage » comme conteneur pour molécules dans de nombreuses applications.

7. En quoi cette expérience est-elle liée à la vie réelle ?
   Réponse : A l’avenir, les footballènes et autres fullerènes nous aideront à développer de nombreuses applications relevant de la nanotechnologie. Actuellement, pensez à une footballène chaque fois que vous voyez un ballon de football.

Evaluation

Est-ce que les élèves savent décrire certaines caractéristiques de la molécule de carbone 60 (footballène) ?

Réponse : Une footballène est une molécule composée de 60 atomes de carbone dont la structure générale ressemble à un ballon de football (icosaèdre tronqué). Elle contient 12 anneaux isolés comportant 5 atomes et 20 anneaux contigus comportant 6 atomes. Chaque molécule C-60 contient 60 liaisons simples et 30 liaisons doubles. Le diamètre approximatif d’une footballène est de 0,7 nm. Ceci fait partie de la catégorie fullerène, une forme relativement nouvelle de carbone.

Variantes et autres études

• Laissez les élèves
  – construire des modèles de footballènes de différentes tailles et étudier leurs caractéristiques. Utilisez un photocopieur pour agrandir ou réduire les modèles. Une autre option consiste à mettre les élèves au défit d’utiliser des rapporteurs et des règles pour créer leurs propres agrandissements ;
  – créer des modèles à l’échelle moléculaire des substances communes telles que l’eau afin de déterminer si une footballène pourra les contenir ;
  – rechercher les similarités et les différences entre un footballène et une coupole géodésique.

• Avant que les élèves se lancent dans ces nouvelles expériences, demandez-leur de deviner le résultat de chacune d'entre elles et d'expliquer leurs réponses. Ils devront ensuite comparer leurs estimations avec les résultats obtenus et argumenter les écarts éventuels constatés.

Applications industrielles

• Nanotechnologie
• Physique
• Sciences des matériaux

Corrélations avec les standards éducatifs anglo-saxons

United States: Cet exercice rel¨¨ve de certaines parties de la norme NSES Content Standard A, Science as Inquiry et Content Standard G, History and Nature of Science, Grades 5-8 et 9-12 ainsi que des normes suivantes :

Grades 5-8
Standard B - Physical Science: B1

Grades 9-12
Standard B - Physical Science: B2

Britain: Cet exercice rel¨¨ve de la norme anglaise relative ¨¤ l'enseignement Sc1, ? Science Enquiry ? ainsi qu'aux normes suivantes :

KS4, extension work only KS5, chemistry

Glossaire/vocabulaire

icosaèdre tronqué
fullerène
footballène
liaison
nanomètre
nanotechnologie
isolé
contigu

Liens

Sites proposant des informations complémentaires concernant les fullerènes et la nanotechnologie (en anglais) :

Fullerene Science Module
Université de Washington

Nanotubes and Buckyballs
Nanotechnology Now

Center for Nanoscale Science and Technology
Université de Rice

National Nanotechnology Initiative

Sociétés vendant des kits de construction de footballènes et autres fullerènes :

Cochranes of Oxford Ltd.

Zometool, Inc.

Indigo® Instruments

Sites offrant des informations sur la coupole géodésique (en anglais) :

The Buckminster Fuller Institute

Thirteen Online

Wikipedia