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La Chimie, ce n'est pas sorcier! - Atomes et carbone

Une forme d'énergie, les énergies fossiles, et une réaction chimique, la combustion, ont révolutionné le monde dans lequel nous vivons depuis la révolution industrielle. L'immense progrès que cette révolution a permis a cependant un coût longtemps négligé: une production et une accumulation toujours plus grande de CO2 dans l'atmosphère.



La Chimie, ce n'est pas sorcier!  - Atomes et carbone

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.

La Chimie, ce n'est pas sorcier!  - Atomes et carbone

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]
La Chimie, ce n'est pas sorcier!  - Atomes et carbone

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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.

La Chimie, ce n'est pas sorcier!  - Atomes et carbone

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

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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

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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
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









Real Trepanier
7 Février 2010


Nouveau commentaire :





Consensus scientifique:

Les organisations scientifiques mondiales se prononcent sur les changements climatiques:

Cliquez sur le titre pour voir un extrait de la position officielle




Où va le CO₂ qu'on émet?

CAPSULE-CLIMATIQUE:

Où va le CO₂ qu'on émet?
Les émissions de CO₂ dues aux énergies fossiles (9,1 Gt de carbone, ou 33,4 Gt de CO₂) et aux changements d'usage des terres (principalement la déforestation: 0,9 Gt de carbone, soit 3,3 Gt de CO₂) en 2010, excèdent largement la capacité d'absorption des écosystèmes. On estime que les océans ont été en mesure d'en absorber 24%, la végétation environ 26%, de sorte que 50% des émissions sont venus gonfler la concentration de CO₂ dans l'atmosphère, à plus de 389,6 ppm, accentuant ainsi l'effet de serre. Source: Global Carbon Project (disponible ici...)


Le niveau de CO₂ dans l'atmosphère est-il vraiment plus élevé qu'avant?

CAPSULE-CLIMATIQUE:



Oui, définitivement. Il est à son niveau le plus élevé depuis 650 000 ans... Voyez par vous-même!

Le niveau de CO₂ dans l'atmosphère est-il vraiment plus élevé qu'avant?
L'augmentation de la concentration des gaz à effet de serre (GES) depuis le début de l'ère industrielle explique de façon prépondérante la hausse de température observée et prévue. Jamais au cours des derniers 650 000 ans, comme l'indique la courbe en rouge du graphique ci-dessus, la concentration de CO₂ n'a été aussi élevée qu'aujourd'hui, confirmait le GIEC.  Il en est de même pour les autres GES comme le méthane (CH4 , courbe bleue) ou l'oxyde nitreux (N2O , courbe verte ci-dessus).

Cette concentration de CO₂ atteignait 390 ppm en novembre 2011, un niveau record. Elle était à moins de 280 ppm au début de l'ère industrielle. Elle est mesurée à plusieurs endroits dans le monde depuis le début des années 1960, dont au Laboratoire du National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) à Mauna Loa, Hawaï. Les données historiques plus lointaines sont tirées, pour leurs parts, de l'analyse des carottes de glace (voir à ce sujet: La Terre se réchauffe-t-elle vraiment? Comment savoir?)






L'augmentation des GES causent le réchauffement climatique : une «nouvelle théorie» ?

CAPSULE-CLIMATIQUE:



Absolument pas. C'était déjà connu du temps de votre grand-père et de votre arrière grand-père!

En fait, c'est à l'astronome britannique William Herschel (1738-1822), en 1800, que l'on doit la découverte des rayons infrarouges, ces rayons électromagnétiques d'une longueur d'onde supérieure à la lumière visible, mais un peu plus courte que celle des micro-ondes (utilisés dans votre four à micro-ondes). Les rayons infrarouges sont également souvent associés à la chaleur; (c'est d'ailleurs selon ce principe que fonctionnent la plupart des détecteurs de mouvement dans les systèmes d'alarmes ou dans les lumières de sécurité).

La vapeur d'eau et le dioxyde de carbone, le fameux CO2, ont quant à eux été identifiés comme les principaux responsables de l'effet de serre par John Tyndall (1820-1893), en 1861, car ils avaient la capacité de bloquer les rayons infrarouges au niveau de l'atmosphère, ce qui a pour effet d'y retenir la chaleur.  Il suggérait même, déjà à l'époque, qu'un changement dans la composition de l'atmosphère pourrait influencer l'évolution du climat (1)



L'augmentation des GES causent le réchauffement climatique : une «nouvelle théorie» ?


Donc, ce n’est pas d’hier que l’on a identifié le CO₂ comme une menace à l’équilibre climatique. D'ailleurs, dès 1896 un Suédois, Svante Arrhenius (1859-1927) , prix Nobel de chimie, estimait qu’un doublement de la concentration de CO₂ entraînerait vraisemblablement une hausse des températures de 1,5 à 5 o(2). Il reconnaissait déjà le fait que d’augmenter la concentration d’un gaz à effet de serre, en réchauffant l’atmosphère, enclencherait une série de réactions, dont une hausse de l’évaporation des masses d’eau. 

Cette augmentation de la quantité de vapeur d’eau, en amplifiant l’effet de serre, accélérerait davantage le réchauffement, entraînant encore plus d’évaporation et encore plus d’effet de serre (réaction en boucle), surmultipliant ainsi l’effet initial dans divers mécanismes de rétroaction. Heureusement, il ne s’agit pas d’une boucle sans fin, car l’évaporation entraînant un accroissement de la formation et de la densité des nuages, elle provoque ainsi un écran pour les rayons solaires, moins nombreux à réchauffer le sol. Ainsi, un nouvel équilibre s’établit, mais celui-ci se produit à un niveau de température sensiblement plus élevé. 

Bref, cela fait longtemps que tout cela est connu. Cela fait longtemps que l'on sait mesurer, avec une précision de plus en plus grande, la concentration de chaque gaz dans l'atmosphère ainsi que leur potentiel de réchauffement global. (Pour en savoir plus, voir: L'effet de serre, c'est quoi?)






Suggestions de lecture

Vivre les changements climatiques: Réagir pour l'avenir

de Claude Villeneuve
et François Richard

Suggestions de lecture
Les changements climatiques qui se font sentir sur toute la planète sont là pour rester. D’où viennent-ils ? Quelles en sont les conséquences et la portée ? Comment s’y adapter ? Quelles actions entreprendre pour en réduire l’ampleur ? Vivre les changements climatiques. Réagir pour l’avenir livre à la fois les explications de base pour comprendre le problème et les plus récentes informations sur le phénomène.

Il est désormais reconnu que le réchauffement du climat est occasionné par les humains en raison de l’augmentation de la population mondiale et de l’activité économique pratiquée sans souci de l’environnement.

Mais, cette corrélation n’est pas immuable, expliquent les auteurs de ce livre : l’émergence de nouvelles technologies, des incitations économiques et légales, et même les gestes et les choix des citoyens peuvent contribuer significativement à modifier son intensité.

Cette troisième édition de Vivre les changements climatiques a été considérablement revue et augmentée pour tenir compte des données et des événements les plus récents, entre autres du dernier rapport du Groupe intergouvernemental d’experts sur l’évolution du climat (GIEC).

Claude Villeneuve est biologiste, professeur, chercheur et directeur de la Chaire en éco-conseil de l'Université du Québec à Chicoutimi.



HOT AIR; Meeting Canada's Climate Change Challenge
de Jeffrey Simpson, Mark Jaccard et Nic Rivers


Voici un ouvrage clair et crédible pour les Canadiens soucieux de comprendre le dossier des changements climatiques dans le contexte canadien- et qui offre des solutions.

Excellent travail de collaboration entre un des plus grands experts au Canada sur l'environnement, Mark Jaccard, Nic Rivers, un chercheur qui travaille avec lui à l'Université Simon Fraser et Jeffrey Simpson, le très respecté journaliste du Globe and Mail, qui livre le tout dans un message clair et sans complaisance.

Ce livre débute par une description de la menace climatique pour le Canada. Puis il explique comment les Canadiens ont été endormis par leurs politiciens ( "On s'en occupe") et certains de leurs industriels ( «les choses ne sont pas si pire, des lignes directrices volontaires sont suffisantes"). Tout cela, bien entendu, renforce les mythes que de nouvelles politiques énergiques ne sont pas nécessaires.

Hot Air expose ensuite en termes facilement compréhensibles, des politiques très simples que le Canada pourrait adopter tout de suite afin de réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre au cours des prochaines décennies. Il montre même comment ces politiques pourrait être conçues pour avoir un minimum d'effets négatifs.

Avec l'exemple d'autres pays qui s'attaquent avec succès aux changements climatiques, Hot Air montre pourquoi ces dernières, selon les auteurs, sont les seules politiques qui fonctionnent - et pourquoi il est urgent d'agir.

(Livre en anglais seulement)