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'air et ses polluants, Les pluies acides, L'effet de serre et le CO₂, 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.
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L'air et ses polluants
L'air sec contient 78 % de diazote N2, 21 % de dioxygène O2, environ 1 % d'argon et des traces d'autres gaz, dont 0,04 % de dioxyde de carbone.
Définition. Un polluant est une substance présente dans l'air, l'eau ou le sol en quantité anormale, et nuisible à la santé ou aux écosystèmes. Un polluant primaire est émis directement (SO2, CO, particules) ; un polluant secondaire se forme dans l'air à partir d'autres (l'ozone O3 des pics d'été, produit par les oxydes d'azote et le soleil).
| Polluant | Formule | Origine principale | Effet |
|---|---|---|---|
| dioxyde de soufre | SO2 | charbon, fioul, industrie | pluies acides, irritant |
| oxydes d'azote | NO, NO2 | moteurs, chauffage | pluies acides, ozone, asthme |
| monoxyde de carbone | CO | combustions incomplètes | toxique (hémoglobine) |
| particules fines | PM10, PM2,5 | diesel, bois, industrie | poumons, cœur |
| ozone troposphérique | O3 | secondaire (NOx + soleil) | irritant, abîme les plantes |
Deux ozones. L'ozone de la stratosphère (15-35 km) nous protège des ultraviolets ; il a été attaqué par les CFC des aérosols, interdits par le protocole de Montréal (1987). L'ozone de la troposphère (l'air que l'on respire) est un polluant. Même molécule, deux rôles.
Unités. Les polluants se mesurent en µg/m3 (microgrammes par mètre cube). Le seuil d'information est de 180 µg/m3 pour l'ozone et de 50 µg/m3 en moyenne journalière pour les PM10. Le CO2, lui, se compte en ppm (parties par million) : 420 ppm = 420 molécules de CO2 sur un million, soit 0,042 %.
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Les pluies acides
L'eau de pluie « propre » est déjà légèrement acide, pH ≈ 5,6, parce que le CO2 de l'air s'y dissout. On parle de pluie acide quand le pH descend sous 5, parfois jusqu'à 4.
Formation. Le dioxyde de soufre et les oxydes d'azote se dissolvent dans les gouttelettes des nuages et forment des acides forts : $$2\,\mathrm{SO_2} + \mathrm{O_2} + 2\,\mathrm{H_2O} \rightarrow 2\,\mathrm{H_2SO_4}\ \text{(acide sulfurique)} \qquad 4\,\mathrm{NO_2} + \mathrm{O_2} + 2\,\mathrm{H_2O} \rightarrow 4\,\mathrm{HNO_3}\ \text{(acide nitrique)}$$
Le calcaire attaqué. Les statues et façades en calcaire (carbonate de calcium CaCO3) se dissolvent lentement : $$\mathrm{CaCO_3} + \mathrm{H_2SO_4} \rightarrow \mathrm{CaSO_4} + \mathrm{H_2O} + \mathrm{CO_2}$$ Le sulfate de calcium formé (du gypse) est friable et s'effrite : c'est la « lèpre des pierres ».
- Forêts : feuilles brûlées, sols appauvris en calcium et magnésium (Forêt-Noire, Vosges dans les années 1980).
- Lacs : sous pH 5, les œufs de poissons ne se développent plus (lacs de Scandinavie).
- Bâtiments : pierres calcaires et métaux corrodés.
Une réussite. Grâce aux filtres des usines, au carburant désoufré et aux pots catalytiques, les émissions de SO2 en France ont été divisées par plus de dix depuis 1990. Les lacs se rétablissent lentement ; on peut accélérer en y versant du calcaire broyé (chaulage) qui neutralise l'acidité.
Échelle de pH. Une baisse d'une unité de pH multiplie par 10 la quantité d'ions H+ : une pluie de pH 4 est 100 fois plus acide qu'une eau de pH 6.
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L'effet de serre et le CO₂
Effet de serre. Certains gaz de l'atmosphère laissent passer la lumière du Soleil mais retiennent une partie du rayonnement infrarouge renvoyé par le sol. C'est un phénomène naturel et vital : sans lui, la température moyenne de la Terre serait de −18 °C au lieu de +15 °C.
Les gaz à effet de serre (GES) : vapeur d'eau, dioxyde de carbone CO2, méthane CH4, protoxyde d'azote N2O, ozone, gaz fluorés. Le problème n'est pas l'effet de serre, c'est son renforcement par nos émissions.
| Gaz | Sources humaines | Remarque |
|---|---|---|
| CO2 | combustion du charbon, du pétrole, du gaz ; déforestation ; cimenteries | de loin le plus émis : ≈ 37 milliards de tonnes par an |
| CH4 | élevage de ruminants, rizières, décharges, fuites de gaz | environ 30 fois plus réchauffant que le CO2 à masse égale sur un siècle, mais plus vite détruit |
| N2O | engrais azotés | très puissant, longue durée de vie |
Calculer une émission. Brûler 1 L d'essence rejette environ 2,3 kg de CO2 ; 1 L de gazole, 2,6 kg. Une voiture qui consomme 6 L d'essence aux 100 km émet $6 \times 2{,}3 = 13{,}8$ kg de CO2 pour 100 km, soit 138 g/km.
Ne pas confondre. Le CO2 n'est pas toxique aux concentrations de l'air et ne détruit pas la couche d'ozone. Le monoxyde de carbone CO est toxique mais n'est pas un gaz à effet de serre notable. Le trou de la couche d'ozone et le réchauffement sont deux problèmes différents.
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Le cycle du carbone
Le carbone circule en permanence entre quatre grands réservoirs : l'atmosphère (CO2), les êtres vivants et les sols, les océans (CO2 dissous, carbonates, coquilles) et les roches (calcaires, charbon, pétrole).
| Flux | Transformation chimique | Sens |
|---|---|---|
| photosynthèse | 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2 | atmosphère → vivant (puits) |
| respiration, décomposition | C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O | vivant → atmosphère (source) |
| dissolution dans l'océan | CO2 + H2O → H2CO3 (acide carbonique) | atmosphère → océan (puits) |
| combustion des fossiles | C + O2 → CO2 ; CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O | roches → atmosphère (source ajoutée par l'homme) |
Le déséquilibre. Le charbon et le pétrole ont stocké du carbone pendant des centaines de millions d'années ; nous le renvoyons dans l'air en quelques décennies. Les océans et les forêts absorbent environ la moitié de nos émissions ; l'autre moitié s'accumule dans l'atmosphère.
L'océan s'acidifie. En absorbant du CO2, l'eau de mer forme de l'acide carbonique : son pH est passé de 8,2 à 8,1 depuis 1850. Cela paraît minime, mais c'est + 30 % d'ions H+, et les coquilles en carbonate de calcium des coraux et coquillages se forment plus difficilement. L'océan reste basique (pH > 7) : « acidification » veut dire « pH qui baisse », pas « acide ».
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Le cycle de l'azote et la pollution des eaux
L'azote est indispensable aux êtres vivants (protéines, ADN), mais le diazote N2 de l'air est presque inutilisable tel quel : sa triple liaison est très solide. Il doit être « fixé ».
- Fixation : des bactéries du sol et des racines de légumineuses (trèfle, haricot), ou la foudre (N2 + O2 → 2 NO), transforment N2 en composés utilisables. L'industrie fabrique l'ammoniac des engrais : N2 + 3 H2 → 2 NH3.
- Nitrification : des bactéries oxydent l'ammonium NH4+ en nitrates NO3−, la forme absorbée par les plantes.
- Dénitrification : d'autres bactéries renvoient les nitrates vers l'air sous forme de N2.
Eutrophisation. Les nitrates des engrais et les phosphates (PO43−) des lessives et des eaux usées, entraînés par la pluie vers les rivières et les côtes, font proliférer les algues ; en se décomposant, elles consomment tout le dioxygène dissous et l'eau devient une zone morte (marées vertes de Bretagne).
| Type de pollution de l'eau | Exemples | Origine |
|---|---|---|
| chimique | nitrates, pesticides, métaux (plomb, mercure), hydrocarbures | agriculture, industrie, transports |
| biologique | bactéries, virus | eaux usées non traitées |
| physique | plastiques, microplastiques, eau réchauffée | déchets, centrales |
Repère. Limite de nitrates dans l'eau du robinet : 50 mg/L. Au-delà, l'eau n'est plus distribuée. Les nitrates sont particulièrement dangereux pour les nourrissons.
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Traiter l'eau, protéger la ressource
Deux traitements différents, à ne pas confondre :
| Potabilisation | Épuration | |
|---|---|---|
| Objectif | rendre une eau de rivière ou de nappe potable | nettoyer les eaux usées avant de les rendre à la rivière |
| Étapes | dégrillage, décantation (floculation), filtration sur sable, désinfection (chlore, ozone, UV) | dégrillage, dessablage-déshuilage, décantation, traitement biologique par des bactéries, clarification |
| Résultat | eau sans microbes, pH 6,5 à 9, nitrates < 50 mg/L | eau propre mais non potable ; les boues sont compostées ou brûlées |
Le traitement biologique. Dans les bassins d'aération, des bactéries « mangent » la matière organique des eaux usées en consommant du dioxygène, comme dans une rivière mais en accéléré ; on insuffle de l'air pour les nourrir. Elles transforment aussi une partie de l'azote en N2 qui rejoint l'atmosphère.
Taux d'abattement. Pour juger l'efficacité d'un traitement, on calcule la proportion de polluant éliminée : $$\text{abattement} = \frac{c_{\text{entrée}} - c_{\text{sortie}}}{c_{\text{entrée}}} \times 100$$ Une station moderne élimine plus de 90 % de la matière organique et environ 80 % des phosphates.
Ce que la station ne traite pas. Médicaments, microplastiques, pesticides passent en grande partie. La meilleure dépollution reste de ne pas jeter : lingettes, huiles, peintures et médicaments ne vont pas dans l'évier.
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La chimie verte
Définition. La chimie verte (Paul Anastas et John Warner, 1998, douze principes) cherche à fabriquer les produits chimiques en produisant le moins de déchets possible, avec le moins d'énergie possible et sans substances dangereuses.
- Prévenir les déchets plutôt que les traiter.
- Économie d'atomes : que le plus possible d'atomes des réactifs se retrouvent dans le produit voulu, et non dans des sous-produits.
- Solvants sûrs : eau ou CO2 à la place de solvants toxiques et inflammables.
- Catalyseurs : moins d'énergie, moins d'étapes, réactions à température ambiante grâce aux enzymes.
- Matières premières renouvelables (végétales) plutôt que le pétrole ; produits biodégradables.
Calculer une économie d'atomes. $$\text{économie d'atomes} = \frac{\text{masse du produit voulu}}{\text{masse totale des réactifs}} \times 100$$ Le procédé historique de fabrication de l'ibuprofène comptait six étapes et une économie d'atomes de 40 % : 60 % de la masse des réactifs finissait en déchets. Le procédé actuel (trois étapes, catalyseurs) atteint 77 %.
Chimie verte au quotidien. Recycler l'aluminium demande 95 % d'énergie en moins que le produire à partir du minerai ; les bioplastiques à base d'amidon se compostent ; les lessives sans phosphates limitent l'eutrophisation.
En bref
- Air : 78 % N2, 21 % O2, 0,04 % CO2 (420 ppm). Polluants primaires (SO2, NOx, CO, particules) et secondaires (ozone).
- Pluies acides : SO2 et NOx → acides sulfurique et nitrique ; pH < 5 ; forêts, lacs et calcaire attaqués (CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + H2O + CO2).
- L'effet de serre est naturel (+15 °C au lieu de −18 °C) ; son renforcement par le CO2 (280 → 420 ppm), le CH4 et le N2O réchauffe le climat.
- Cycle du carbone : photosynthèse et océans = puits ; respiration, combustion = sources. Les fossiles ajoutent ≈ 37 Gt de CO2 par an ; l'océan s'acidifie (pH 8,2 → 8,1).
- Cycle de l'azote : fixation → nitrification (nitrates) → dénitrification. Nitrates et phosphates en excès → eutrophisation. Limite : 50 mg/L de nitrates dans l'eau potable.
- Potabilisation ≠ épuration. Chimie verte : moins de déchets (économie d'atomes), solvants sûrs, catalyseurs, matières renouvelables.
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