À propos de cette page
Ce cours de chimie en troisième sur « Chimie et environnement » suit le programme officiel de chimie de troisième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : L'atmosphère et ses polluants, Les pluies acides : formation et conséquences, L'effet de serre et le réchauffement climatique, Le cycle du carbone. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de troisième à réussir en chimie.
Au programme
1 · L'atmosphère et ses polluants
2 · Les pluies acides : formation et conséquences
3 · L'effet de serre et le réchauffement climatique
4 · Le cycle du carbone
5 · Le cycle de l'azote
6 · La pollution des eaux
7 · La chimie verte : des procédés responsables
1L'atmosphère et ses polluants
L'atmosphère terrestre est composée principalement de diazote N₂ (78 %), de dioxygène O₂ (21 %) et de gaz rares et traces (1 %). Cette composition est modifiée par les polluants atmosphériques, substances qui perturbent les équilibres naturels et nuisent aux êtres vivants.
Définition. Un polluant est une substance introduite dans l'environnement par l'activité humaine ou naturelle, susceptible de causer des effets néfastes sur la santé ou les écosystèmes.
On distingue plusieurs grandes familles de polluants atmosphériques :
| Polluant | Formule | Source principale |
|---|
| Dioxyde de soufre | SO₂ | Combustion du charbon et du pétrole |
| Oxydes d'azote | NOₓ (NO, NO₂) | Moteurs thermiques, industries |
| Dioxyde de carbone | CO₂ | Combustions, déforestation |
| Monoxyde de carbone | CO | Combustion incomplète |
| Méthane | CH₄ | Élevage, riziculture, décharges |
| Particules fines | PM2,5 / PM10 | Diesels, industrie, chauffage au bois |
Attention ! Le monoxyde de carbone (CO) est un gaz inodore, incolore et très toxique : il se fixe sur l'hémoglobine à la place de l'oxygène et peut provoquer une asphyxie mortelle.
Les polluants peuvent être primaires (émis directement, comme SO₂) ou secondaires (formés dans l'atmosphère par réaction chimique, comme l'ozone troposphérique O₃).
2Les pluies acides : formation et conséquences
L'eau de pluie naturelle est légèrement acide (pH ≈ 5,6) à cause de la dissolution du CO₂ atmosphérique. Les pluies acides ont un pH inférieur à 5, parfois proche de 4.
Formation des pluies acides. Le dioxyde de soufre et les oxydes d'azote se dissolvent dans les gouttelettes d'eau nuageuse et se transforment en acides :
SO₂ + H₂O → H₂SO₃ (acide sulfureux) → H₂SO₄ (acide sulfurique)
NO₂ + H₂O → HNO₃ (acide nitrique)
Ces réactions font chuter le pH de l'eau de pluie. Plus le pH est bas, plus la solution est acide et corrosive.
Exemple. Une pluie de pH 4 est 100 fois plus acide qu'une pluie normale de pH 6 (l'échelle de pH est logarithmique).
Les conséquences des pluies acides sont multiples :
- Destruction des forêts : les acides attaquent les feuilles et épuisent les sols en minéraux.
- Acidification des lacs : les poissons et amphibiens ne survivent pas à des pH inférieurs à 5.
- Dégradation du patrimoine bâti : les sculptures calcaires (marbre, calcaire) sont dissoutes par les acides.
- Corrosion des métaux : ponts, rails et canalisations sont endommagés.
Astuce. Pour relier cause et effet : SO₂ → pluies acides → acidification des milieux. NOₓ → pluies acides + smog photochimique (brouillard polluant).
3L'effet de serre et le réchauffement climatique
L'effet de serre est un phénomène naturel indispensable à la vie : certains gaz de l'atmosphère retiennent une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre, maintenant une température moyenne de +15 °C (sans effet de serre, elle serait de -18 °C).
Gaz à effet de serre (GES). Gaz qui absorbent et réémettent le rayonnement infrarouge terrestre. Les principaux GES sont : la vapeur d'eau (H₂O), le dioxyde de carbone (CO₂), le méthane (CH₄), le protoxyde d'azote (N₂O) et les gaz fluorés.
Depuis la révolution industrielle (vers 1850), la concentration de CO₂ dans l'atmosphère a augmenté d'environ 50 %, passant d'environ 280 ppm à plus de 420 ppm (2023). Cette augmentation est principalement due à la combustion de combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) et à la déforestation.
L'amplification de l'effet de serre provoque un réchauffement climatique avec des conséquences observées :
- Hausse des températures moyennes mondiales (+1,1 °C depuis 1850)
- Fonte des glaciers et des calottes polaires
- Montée du niveau des mers
- Multiplication des phénomènes météorologiques extrêmes
Attention ! L'effet de serre naturel est nécessaire à la vie. C'est son amplification par les activités humaines qui pose problème, et non l'effet de serre en lui-même.
Le pouvoir de réchauffement global (PRG) mesure l'impact d'un GES par rapport au CO₂ (PRG = 1). Le méthane a un PRG de 28 sur 100 ans.
4Le cycle du carbone
Le cycle du carbone (ou cycle biogéochimique du carbone) décrit les échanges de carbone entre les différents réservoirs terrestres : atmosphère, biosphère, hydrosphère et lithosphère.
Réservoirs de carbone.
• Atmosphère : CO₂ gazeux (environ 850 Gt C)
• Océans : CO₂ dissous, carbonates (38 000 Gt C)
• Biosphère : carbone dans les êtres vivants (560 Gt C végétaux)
• Lithosphère : combustibles fossiles, calcaires (50 000 000 Gt C)
Les principaux flux naturels du cycle :
| Processus | Sens | Réaction simplifiée |
|---|
| Photosynthèse | Atmosphère → Biosphère | CO₂ + H₂O → glucose + O₂ |
| Respiration | Biosphère → Atmosphère | Glucose + O₂ → CO₂ + H₂O |
| Dissolution océanique | Atmosphère ↔ Océans | CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ |
| Volcanisme | Lithosphère → Atmosphère | Dégazage de CO₂ |
L'activité humaine ajoute un flux anthropique massif : la combustion de fossiles libère du carbone stocké depuis des millions d'années, à une vitesse que les puits naturels (végétaux, océans) ne peuvent absorber complètement.
Exemple. La combustion du méthane : CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O. Le carbone du gaz naturel, initialement stocké dans la lithosphère, rejoint l'atmosphère.
5Le cycle de l'azote
L'azote (N) est un élément indispensable à la vie : il entre dans la composition des protéines et de l'ADN. Bien que le diazote N₂ représente 78 % de l'atmosphère, la plupart des êtres vivants ne peuvent pas l'utiliser directement.
Cycle de l'azote. Ensemble des transformations qui font passer l'azote de sa forme gazeuse (N₂) aux formes assimilables par les plantes (nitrates NO₃⁻, ammonium NH₄⁺) puis de retour vers l'atmosphère.
Les étapes clés :
- Fixation : certaines bactéries (Rhizobium) fixent le N₂ et le transforment en NH₃/NH₄⁺ (azote ammoniacal). L'industrie fixe aussi l'azote par le procédé Haber-Bosch (N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃) pour fabriquer les engrais.
- Nitrification : des bactéries du sol oxydent NH₄⁺ en nitrites (NO₂⁻) puis en nitrates (NO₃⁻), assimilables par les plantes.
- Dénitrification : des bactéries anaérobies reconvertissent les nitrates en N₂, retourné à l'atmosphère.
Attention ! L'utilisation excessive d'engrais azotés provoque l'eutrophisation des milieux aquatiques : excès de nitrates → prolifération d'algues → manque d'oxygène → mort de la faune aquatique.
Astuce. Retiens l'ordre : fixation → nitrification → assimilation par les plantes → dénitrification. Chaque étape est réalisée par des bactéries spécialisées.
6La pollution des eaux
L'eau peut être contaminée par diverses substances d'origine humaine ou naturelle. On distingue plusieurs types de pollution aquatique :
| Type de pollution | Exemples de polluants | Origine |
|---|
| Chimique | Pesticides, métaux lourds, hydrocarbures | Agriculture, industrie |
| Biologique | Bactéries pathogènes, virus | Eaux usées non traitées |
| Physique | Matières en suspension, plastiques | Ruissellement, déchets |
| Thermique | Eau chaude | Centrales nucléaires |
La DBO (Demande Biologique en Oxygène) sur 5 jours (DBO₅) mesure la quantité d'oxygène nécessaire aux micro-organismes pour dégrader la matière organique présente dans l'eau. Une DBO₅ élevée indique une eau très polluée.
Exemple. Les nitrates (NO₃⁻) provenant des engrais agricoles et les phosphates (PO₄³⁻) des lessives sont les principaux responsables de l'eutrophisation : ils fertilisent les eaux, favorisant la prolifération des algues qui, en se décomposant, épuisent l'oxygène dissous.
Le traitement des eaux usées dans les stations d'épuration utilise des procédés physiques (décantation, filtration) et biologiques (bactéries dégradant la matière organique) pour rendre l'eau rejetable dans le milieu naturel.
Astuce. La chaîne pollution → eutrophisation se retient ainsi : engrais → nitrates/phosphates dans l'eau → algues se multiplient → algues mortes → bactéries les dégradent → consomment O₂ → poissons meurent.
7La chimie verte : des procédés responsables
La chimie verte (ou chimie durable) est une approche de la chimie qui cherche à réduire l'impact environnemental des procédés et des produits chimiques. Elle a été formalisée en 1998 par les chimistes Paul Anastas et John Warner à travers 12 principes.
Définition. La chimie verte vise à concevoir des procédés chimiques qui :
• utilisent des matières premières renouvelables
• produisent moins de déchets
• consomment moins d'énergie
• utilisent ou génèrent des substances aussi peu dangereuses que possible
Quelques principes clés de la chimie verte :
- Prévention : mieux vaut éviter la production de déchets que de les traiter.
- Économie d'atomes : maximiser l'incorporation des réactifs dans le produit final, limiter les sous-produits inutiles.
- Solvants verts : remplacer les solvants organiques toxiques par des alternatives moins dangereuses (eau, dioxyde de carbone supercritique, solvants biosourcés).
- Catalyse : utiliser des catalyseurs (bio-catalyseurs, catalyse enzymatique) pour diminuer les températures et pressions nécessaires.
- Matières premières renouvelables : privilégier la biomasse plutôt que les ressources fossiles.
Exemple. La fabrication de l'aspirine (acide acétylsalicylique) illustre les progrès : les méthodes anciennes utilisaient du benzène (très toxique) ; les méthodes actuelles utilisent des voies plus sûres avec des rendements améliorés et moins de sous-produits.
Astuce. Retiens les 3 grands axes : matières premières (renouvelables), procédés (économes en énergie, catalyse) et déchets (réduits, recyclables). Ces axes se retrouvent dans toute question sur la chimie verte.
★À retenir
En bref — Chimie et environnement :
• Les polluants atmosphériques (SO₂, NOₓ, CO₂, CO) proviennent principalement des combustions humaines.
• Les pluies acides résultent de la dissolution de SO₂ et NOₓ dans l'eau (pH < 5) ; elles détruisent forêts, lacs et bâtiments.
• L'effet de serre est naturel mais son amplification par le CO₂ et le CH₄ cause un réchauffement climatique.
• Le cycle du carbone lie atmosphère, biosphère, océans et lithosphère ; la combustion fossile perturbe cet équilibre.
• Le cycle de l'azote transforme N₂ en nitrates assimilables ; les excès d'engrais provoquent l'eutrophisation.
• La chimie verte cherche à réduire déchets, énergie et substances dangereuses dans les procédés chimiques.