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Pas besoin de porter un sarrau blanc, ni de manipuler des éprouvettes tous les jours pour apprécier le monde qui nous entoure. Cependant, quelques notions de base sont essentielles pour comprendre certains phénomènes à l’origine de la vie, ou certaines causes ou conséquences du réchauffement climatique.
Il est d’abord intéressant de réaliser que tout ce que nous sommes et tout ce qui nous entoure est, à la base, constitué d’atomes. Cet énoncé fut en premier une intuition développée au Ve siècle av. J.-C. par un philosophe grec du nom de Démocrite [1]. Mais il a été confirmé hors de tout doute et prouvé scientifiquement au XIXe et au XXe siècle.
Ainsi, toute matière inerte comme une roche, mais également toute matière vivante, est composée d’atomes, et très souvent les mêmes! Chaque atome est formé d'un noyau qui contiendra un ou plusieurs protons ainsi que des neutrons, autour duquel circulent des électrons. Le tout ne mesure pas plus d'un dixième de millionième de millimètre! Ce qui distingue les différents types d'atomes, c'est l’organisation particulière de ceux-ci qui varie, et qui est à la base de tout ce qui se trouve autour de nous.
Par exemple, un atome possédant un seul proton est un atome d’hydrogène (symbole H); c’est le gaz le plus léger et le plus répandu dans l’univers, et il sert, entre autres, de carburant aux vaisseaux spatiaux. [2]
S’il a 6 protons, c’est un atome de carbone (symbole C), un élément solide constituant la base des molécules essentielles aux organismes vivants. Mais on le retrouve aussi sous forme de mines de crayons ou encore de diamants.
Et si on retrouve 8 protons, nous sommes en présence d’un atome d’oxygène (symbole O), un gaz essentiel à la vie et à la combustion d’un feu de bois. En fait, les chimistes ont identifié 92 atomes présents dans la nature, et une quinzaine d’atomes artificiels, ou créés par l’homme.
Les atomes aiment évoluer en équipe. Ils ne restent pas séparés chacun de leur côté, mais se regroupent plutôt pour former des molécules. Que se passe-t-il lorsque deux atomes d’hydrogène rencontrent un atome d’oxygène? Et oui, ils forment une molécule d’eau (H₂O).
Lorsque trois atomes d’oxygène forment équipe, ils deviennent une molécule d’ozone (O₃) capable de bloquer les rayons ultraviolets nocifs du soleil. Et lorsqu’un atome de sodium (Na) croise un atome de chlore (Cl), là c’est une molécule de chlorure de sodium (NaCl) qui est créée, le sel qui assaisonne si bien nos repas.
Dans tous ces exemples, il s’agit de molécules inorganiques. Les organismes vivants sont, quant à eux, formés de molécules organiques où le carbone joue un rôle central dans la formation des glucides, des lipides et des protéines. On y retrouve encore les mêmes éléments de base, les atomes. Ainsi, dans les organismes vivants les plus complexes, tel le corps humain, on retrouve 24 des 92 atomes naturels. L’oxygène, le carbone, l’hydrogène et l’azote représentent à eux seuls 96% du poids d’un corps humain. Mais la plus grande différence vient des structures moléculaires très élaborées, dans une organisation immensément complexe et où le maintien d’un équilibre extrêmement précis est nécessaire à la survie de l’organisme.
Comment fabriquer un être humain
Pour fabriquer un être humain, on a besoin de carbone (C), d’hydrogène (H), d’azote (N), d’oxygène (O), de calcium (Ca), de chlore (Cl), d’iode (I), de fer (Fe), de magnésium (Mg), de phosphore (P), de potassium (K), de sodium (Na), de souffre (S), ainsi qu’une pincée de chrome, cobalt, cuivre, fluor, manganèse, sélénium, silicium, étain, vanadium et de zinc. Ah oui, la recette précise est cependant très compliquée…[3]
Il peut être difficile de concevoir que les êtres vivants sont composés à partir des mêmes éléments que les objets inanimés comme une roche! Mais de la même façon, est-ce que de l’aluminium, du fer, du cuivre, ou du plastique peuvent voler? Évidemment pas! Aucune de ces matières n’a la capacité de voler. Et pourtant, structurées, organisées, assemblées de façon extrêmement détaillée et précise, en respectant scrupuleusement certaines règles permettant un équilibre essentiel, c’est possible. Et cela s’appelle un avion!
Il en est de même des êtres vivants. C’est l’assemblage d’atomes inanimés selon une conception très précise et en maintenant en permanence un équilibre essentiel qui forme les molécules organiques, qui deviennent cellules et êtres vivants.
Les hydrocarbures
De même, deux atomes différents peuvent se regrouper de différentes façons et donner des produits distincts, malgré qu’ils soient de la même famille. Par exemple, le pétrole et le gaz naturel sont des composés de différents hydrocarbures, tous étant des combinaisons de carbone (C) et d’hydrogène(H), mais dans des proportions qui varient selon l’endroit et les conditions qui prévalaient bien avant qu'ils ne soient extraits: ainsi retrouve-t-on du méthane (CH₄), du butane (C₄H₁₀), du propane (C₃H₈), de l’éthane (C₂H₆), de l’octane (C₈H₁₈), entre autres.
Et à partir de ces hydrocarbures que l’on retrouve dans la nature, l’industrie, par différent procédés, produira de l’éthylène (C₂H₄) – à la base des produits de plastique en polystyrène, des films de plastiques en polyéthylène, des fibres de polyesters utilisées dans le textile; on pourra produire du benzène (C₆H₆) qui entre dans la fabrication du nylon; du propylène (C₃H₆) entrant dans la fabrication de polyuréthane (plastique et vernis); ou à partir du méthane (CH₄) fabriquer de l’ammoniac et de l’urée, matières de base pour l’industrie des engrais; et la liste est encore très longue…
Comme le pétrole est un mélange très hétérogène, il doit d’abord être raffiné et fractionné afin de créer des combustibles plus homogènes. Ainsi, l’essence sera un mélange composé de 5 à 10 atomes de carbone; le kérosène (pour l'aviation, par exemple) en aura de 10 à 16; le mazout destiné au chauffage aura de 14 à 20 atomes de carbone [4].
Et qu’arrive-t-il lorsqu’on brûle ces hydrocarbures, sous quelque forme soient-ils? On produit inévitablement du dioxyde de carbone, du CO₂, un puissant gaz à effet de serre.
«Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme»
Antoine Lavoisier (1743-1794) est considéré comme le père de la chimie moderne. On lui doit la nomenclature chimique moderne des éléments. Il démontre qu’une partie de l’air, qu’il baptise «oxygène», est nécessaire à la combustion, à la respiration animale et végétale, et explique la formation de la rouille, d’où l’origine grec du terme oxygène qui signifie «formateur d’acide». Il établit qu’en présence d’un gaz inflammable qu’il appelle «hydrogène» (du grec «générateur d’eau»), l’oxygène se transforme en gouttelettes d’eau. Ses expériences extrêmement bien contrôlées démontrent que lorsqu’on brûle du phosphore et du soufre dans l’air, le poids des produits résultants est plus élevé que les éléments réactifs du départ, mais que ce poids gagné est perdu par l’air. Ces expériences sont à la base de la loi de conservation de la matière et de la célèbre citation «rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme».
Impressionnant pour un homme ayant vécu il y a plus de 230 années, croyez-vous? Tout est relatif! L’idée n’est pas nouvelle. Elle remonte à Anaxagore de Clazomènes, philosophe grec qui vécu de l’an 500 à 428 avant Jésus-Christ et qui avança que «être et matière ne se produisent ni ne se créent, tout se transforme». Mais il faudra attendre le grand chimiste Lavoisier pour le prouver.
Ainsi, toute réaction chimique n’est en fait qu’un réarrangement d’atomes et de molécules.
Et quelle est la réaction chimique à la base de la révolution industrielle ? Et oui, la combustion, dont au premier chef, la combustion d'énergie fossile (charbon, pétrole et gaz), tous à forte teneur en carbone. Par exemple, la combustion se produit lorsque l'on combine un hydrocarbure (mélange de carbone et hydrogène) avec l’oxygène de l’air (O₂). Ainsi, une molécule d’hydrocarbure sous la forme de méthane (CH₄), composante principale du gaz naturel, en présence de 2 molécule de dioxygène (O₂) se transformeront en une molécule de dioxyde de carbone (CO₂), 2 molécules d’eau (H₂O) et de 891 kilojoules d’énergie ou de chaleur.
CH₄ + 2 O₂ -----> CO₂ + 2 H₂O (+ 891 kJ)
D’autres exemples concrets de réactions chimiques? La respiration, la cuisson des aliments, la corrosion (la rouille), la fabrication de savon, de plastique, de métaux, d’engrais, de médicaments, de vin, la photosynthèse des plantes, la sécrétion des larmes, des hormones, les feux de forêts, la destruction de la couche d’ozone, la liste est infinie. Nous y reviendrons...
Crédit-photo: AFP/Getty Images, tiré de Science & Vie, no. 1107, Décembre 2009, p.67
Crédit-photo: AFP/Getty Images, tiré de Science & Vie, no. 1107, Décembre 2009, p.67
RÉFÉRENCES: Pour en savoir plus sur le sujet...
[1] SCHUHL P-M. ,Encyclopédie Universalis, Démocrite, [En ligne] au: Encyclopédie Universalis (http://www.universalis.fr/encyclopedie/democrite/); voir également l'excellent site de Michel FOREST, Cours du CEGEP St-Jérome portant sur Le corps humain qui offre une introduction au monde des atomes et des molécules; disponible sur le site des Cours du CEGEP St-Jérome (http://cours.cegep-st-jerome.qc.ca/), ou directement sur la section Atomes et molécules (http://cours.cegep-st-jerome.qc.ca/101-902-m.f/bio902/atomesetmolecules/atomesetmolecules.htm).
[2] Pour apprendre à reconnaître les atomes présentés sous la forme du Tableau périodique des éléments, connaître leurs propriétés et quelques unes de leurs utilisations, voir le site Tableau périodique des éléments
[3] FOREST M., Le corps humain section: les atomes et les molécules; disponible sur le site - section Atomes et molécules (http://cours.cegep-st-jerome.qc.ca/101-902-m.f/bio902/atomesetmolecules/atomesetmolecules.htm).
[4] OLIVIER M. (2007). Chimie de l'environnement, 5e édition, Production Jacques Bernier, p.243
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