L'insaisissable acide carbonique : il existe vraiment !
Tout le monde croit le savoir, mais il est resté l'un des plus grands secrets de la chimie.
L'existence de l'acide carbonique a longtemps fait l'objet d'un débat : théoriquement réelle, mais pratiquement impossible à détecter. En effet, ce composé se décompose à la surface de la Terre. Une équipe germano-chinoise de chercheurs travaillant à la source de neutrons de recherche FRM II de l'Université technique de Munich (TUM) vient de rendre visible pour la première fois la structure cristalline des molécules d'acide carbonique.
Le Dr Michael Hofmann ajuste un échantillon sur le diffractomètre neutronique STRESS-SPEC. À l'aide de cet instrument de mesure sensible, les chercheurs ont également pu détecter la structure cristalline de l'acide carbonique.
Bernhard Ludewig / TUM
Tout le monde croit le connaître, mais il est resté l'un des plus grands secrets de la chimie : l'acide carbonique. Jusqu'à présent, personne n'avait jamais vu la structure moléculaire de ce composé constitué d'hydrogène, d'oxygène et de carbone, dont la formule chimique estH2CO3. Ce composé se décompose rapidement - du moins à la surface de la Terre - en eau et en dioxyde de carbone ou réagit pour former du carbonate d'hydrogène, une substance qui se décompose également. C'est ce qui donne le pétillement à l'eau minérale et au champagne. "Comme les gens ne croient pas à ce qu'ils ne peuvent pas voir, les livres de chimie affirment généralement que l'acide carbonique n'existe pas ou, du moins, qu'il ne peut pas être isolé avec une certitude absolue", explique le professeur Richard Dronskowski, directeur de l'institut de chimie inorganique de la RWTH Aachen.
Avec son équipe de la RWTH et de l'Institut Hoffmann pour les matériaux avancés (HIAM) de Shenzhen, en Chine, il a maintenant réussi à produire de l'acide carbonique cristallin et à analyser sa structure pour la première fois. Il est donc temps de réécrire les manuels scolaires.
Les chercheurs ont mis huit ans à prouver l'existence de ce composé. "Nos calculs informatiques ont d'abord montré que nous devions créer des températures de moins 100°C combinées à une pression d'environ 20 000 atmosphères pour que des cristaux d'acide carbonique se forment à partir d'eau et de dioxyde de carbone. Nous avons donc dû concevoir et construire un appareil capable de résister à ces conditions extrêmes", explique M. Dronskowski. Les parois de la cellule de mesure, qui n'est pas plus grande qu'une bouteille de parfum, sont constituées d'un alliage spécialement fabriqué. Une fenêtre en diamant permet aux chercheurs de voir à l'intérieur. Dans cette cellule, un mélange d'eau gelée et de glace carbonique est soumis à la pression d'une enclume. Dans ces conditions extrêmes, des cristaux se sont effectivement formés.
Utiliser les neutrons pour mieux voir
Pour en savoir plus sur la composition et la structure des cristaux, l'équipe a emmené la cellule de mesure au FRM II de Munich : "Pour nos investigations, nous avions besoin de faisceaux de neutrons", se souvient Dronskowski. "Les rayons X interagissent avec les électrons des atomes. Mais les neutrons interagissent avec les noyaux. Par conséquent, ils peuvent être utilisés pour rendre visibles des atomes même très légers, comme l'hydrogène, qui ne contient qu'un seul électron. C'était essentiel pour nous, car nos cristaux contiennent de l'hydrogène. Nous devions savoir où se trouvent les atomes d'hydrogène dans la molécule."
Pour utiliser les faisceaux de neutrons afin d'étudier la structure atomique d'un cristal, des instruments de mesure extrêmement sensibles sont nécessaires, comme le diffractomètre STRESS-SPEC. Il a été développé pour mesurer les effets de déplacement des contraintes sur le réseau cristallin. Pour la mesure, un monochromateur est utilisé pour sélectionner une longueur d'onde spécifique dans le faisceau de neutrons émis par le réacteur de recherche FRM II. Ce faisceau monochromatique peut être orienté à l'aide de fentes spéciales pour le concentrer entièrement sur l'intérieur de la cellule de mesure, explique Michael Hofmann, chercheur à la TUM et chef du groupe FRM II : "Cela nous permet d'étudier de très petits volumes d'échantillons à une résolution extrêmement élevée. Pour l'analyse de l'échantillon d'Aix-la-Chapelle, qui avait un volume de quelques millimètres cubes seulement, c'était idéal." Lorsque le faisceau de neutrons monochromatisés frappe un cristal, il est dévié par l'interaction avec les atomes. Cela produit un diagramme de diffraction à partir duquel la structure du réseau cristallin peut être déduite - du moins en théorie.
L'énigme de la structure
"En termes pratiques, l'analyse des données de mesure a constitué un véritable défi", déclare M. Dronskowski. Les chercheurs ont mis plus de deux ans à identifier des milliers de possibilités structurelles à l'aide de leurs algorithmes et à les comparer aux résultats expérimentaux. Grâce à cette approche, ils ont finalement réussi à identifier la structure des cristaux qui se sont formés à l'intérieur de la cellule de mesure : Ils sont en effet constitués de molécules deH2CO3liées par des liaisons hydrogène, formant une structure "monocline" de faible symétrie.
"Notre travail était avant tout de la recherche fondamentale : les chimistes ont besoin de savoir cela - ils ne peuvent pas s'en empêcher. Mais maintenant que nous connaissons les conditions dans lesquelles l'acide carbonique se forme, nous pouvons imaginer des applications pratiques", explique M. Dronskowski. Par exemple, les cosmologistes qui détectent des traces d'acide carbonique sur des planètes ou des lunes lointaines pourront tirer des conclusions sur les conditions qui y règnent. Les résultats pourraient également être intéressants pour la géo-ingénierie : Par exemple, il est désormais possible de calculer quand les cristaux d'acide carbonique se formeront lorsque le dioxyde de carbone sera placé sous haute pression dans des conditions humides sous le sol.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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