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Chimie et environnement : pollution, effet de serre, chimie verte
Les gaz à effet de serre produits par les transformations chimiques et le bilan carbone ; les pluies acides et l’acidification des océans ; analyser, traiter et dépolluer l’eau ; la chimie verte.
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Les gaz à effet de serre produits par les transformations chimiques
En 6e, tu as vu que certains gaz de l’air retiennent une partie de la chaleur renvoyée par le sol : c’est l’effet de serre, indispensable à la vie mais renforcé par nos rejets (La composition de l’air (6e)). En 3e, on cherche quelles transformations chimiques produisent ces gaz.
• La vapeur d’eau H₂O est aussi un gaz à effet de serre, mais celle que nous rejetons retombe en pluie en une dizaine de jours : elle ne s’accumule pas dans l’air, on ne la compte pas dans nos émissions.
• Le diazote N₂, le dioxygène O₂, l’argon Ar et le dihydrogène H₂ ne sont pas des gaz à effet de serre.
• Pour savoir si une transformation chimique rejette un gaz à effet de serre, je lis ses produits (son bilan ou son équation) et j’y cherche CO₂, CH₄ ou N₂O. Le dioxyde de carbone se reconnaît au test de l’eau de chaux, qui se trouble (Combustions (4e)).
• Une espèce qui contient du carbone donne en général du CO₂ quand elle brûle ou se décompose avec du dioxygène, et du méthane quand elle se décompose sans dioxygène.
| Transformation chimique | Bilan | Gaz à effet de serre produit |
|---|---|---|
| combustion d’un combustible qui contient du carbone (gaz naturel, essence, fioul, charbon, bois) | combustible + dioxygène → dioxyde de carbone + eau | CO₂ |
| respiration des êtres vivants | glucose + dioxygène → dioxyde de carbone + eau | CO₂ |
| fermentation alcoolique par des levures | glucose → éthanol + dioxyde de carbone | CO₂ |
| décomposition de matière organique sans dioxygène (décharges, marais, panse des ruminants) | matière organique → méthane + dioxyde de carbone | CH₄ et CO₂ |
| chauffage du calcaire (chaux, ciment) | CaCO₃ → CaO + CO₂ | CO₂ |
| action d’un acide sur le calcaire | CaCO₃ + 2 H⁺ → Ca²⁺ + H₂O + CO₂ | CO₂ |
| transformation des engrais azotés par les bactéries du sol | une partie de l’azote des engrais → protoxyde d’azote | N₂O |
Une usine de bioéthanol. Des levures y font fermenter le sucre tiré du blé : C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₆O + 2 CO₂. L’éthanol obtenu sert de carburant ; le gaz qui s’échappe des cuves trouble l’eau de chaux : c’est du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre.
Une décharge d’ordures ménagères. Enfouis, les restes de repas n’ont plus de dioxygène : des microbes les décomposent en un mélange de méthane et de dioxyde de carbone, le biogaz. Le méthane est un gaz à effet de serre puissant : on le capte par des tuyaux pour le brûler.
Une cimenterie. On y chauffe très fort du calcaire : CaCO₃ → CaO + CO₂. Une cimenterie rejette donc du CO₂ par le combustible de son four et par le calcaire lui-même : c’est même le calcaire qui en fournit la plus grande partie (environ 60 %).
Réflexe — j’écris les produits de la transformation et j’y cherche CO₂, CH₄ ou N₂O ; du carbone dans les réactifs → souvent du CO₂ (ou du méthane, sans dioxygène).
Attention — un gaz toxique n’est pas forcément un gaz à effet de serre : le monoxyde de carbone CO et le dioxyde de soufre SO₂ sont des polluants, mais ils ne font pas partie des gaz à effet de serre que l’on compte. Et une transformation sans carbone, comme la combustion du dihydrogène, ne rejette que de l’eau.
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Le bilan carbone : compter et limiter les émissions
• Tous les gaz ne réchauffent pas autant. Sur cent ans, 1 kg de méthane réchauffe environ 30 fois plus que 1 kg de CO₂, et 1 kg de protoxyde d’azote environ 270 fois plus (valeurs du GIEC). Équivalent CO₂ = masse du gaz × ce coefficient.
• Les sources rejettent du CO₂ dans l’air (combustions, déforestation, cimenteries) ; les puits en retirent : la photosynthèse des végétaux et la dissolution dans l’océan. Ces dernières années, la végétation et les océans ont absorbé environ la moitié du CO₂ rejeté par les activités humaines ; l’autre moitié s’accumule dans l’air.
• Bilan net = émissions − absorptions par les puits.
• Pour limiter les émissions : consommer moins d’énergie ; produire l’électricité avec des sources décarbonées (hydraulique, éolien, solaire, nucléaire), qui rejettent très peu de CO₂ en fonctionnant ; recycler les matériaux plutôt que d’en extraire de nouveaux (Choisir un objet (technologie 5e)) ; traiter les déchets (capter le méthane des décharges et le brûler) ; capter le CO₂ des fumées et le stocker sous terre (en Norvège, sous la mer du Nord, depuis 1996).
Une fuite de gaz. Une canalisation laisse échapper 5 kg de méthane. En équivalent CO₂ : kg de CO₂e.
Le bilan net d’une commune. Ses activités rejettent 12 000 t de CO₂e par an ; ses forêts en absorbent 3 000 t. Bilan net : t de CO₂e par an.
Brûler le méthane plutôt que le laisser fuir. La combustion du méthane (CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O) donne 44 g de CO₂ pour 16 g de méthane, soit kg de CO₂ pour 1 kg de méthane. Laissé dans l’air, ce kilogramme compterait pour 30 kg de CO₂e : le brûler réchauffe environ 11 fois moins ().
Réflexe — équivalent CO₂ = masse du gaz × son coefficient (1 pour le CO₂, environ 30 pour le méthane, environ 270 pour le protoxyde d’azote) ; bilan net = émissions − absorptions.
Attention — une masse en équivalent CO₂ n’est pas une masse réelle de CO₂ : c’est l’effet de réchauffement, compté comme si c’était du CO₂. Et un puits ne fait pas disparaître le carbone : une forêt qui brûle rend son CO₂ à l’air.
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Pluies acides et acidification des océans
En 4e, tu as vu que le dioxyde de soufre et les oxydes d’azote sont des polluants de l’air (L’air : composition, molécules et dissolution des gaz (4e)) ; en 3e, tu sais mesurer l’acidité d’une solution par son pH (pH : solutions acides, neutres et basiques).
• Les pluies acides viennent du dioxyde de soufre SO₂ (combustion du charbon et du fioul, qui contiennent du soufre) et des oxydes d’azote NO et NO₂ (moteurs, chaudières). Dans les nuages, ils réagissent avec le dioxygène et l’eau et forment de l’acide sulfurique et de l’acide nitrique :
2 SO₂ + O₂ + 2 H₂O → 2 H₂SO₄ et 4 NO₂ + O₂ + 2 H₂O → 4 HNO₃
• Effets : les ions H⁺ de la pluie attaquent le calcaire des façades et des sculptures, qui s’effritent (CaCO₃ + 2 H⁺ → Ca²⁺ + H₂O + CO₂, voir Réactions des acides : métaux, calcaire et neutralisation) ; les lacs acidifiés perdent leurs poissons ; les sols des forêts s’appauvrissent.
• Remèdes : carburants et fioul désoufrés, fumées des usines lavées, pots catalytiques. En France, les rejets de SO₂ ont baissé de 92 % entre 1990 et 2021 (Citepa). Pour soigner un lac acide, on y répand du calcaire en poudre, qui consomme les ions H⁺ : c’est le chaulage (en Suède depuis 1977).
• L’océan dissout une partie du CO₂ de l’air : CO₂ + H₂O → H₂CO₃ (acide carbonique). Le pH de surface de l’eau de mer est passé d’environ 8,2 à 8,1 depuis le début de l’ère industrielle, soit environ 30 % d’ions H⁺ en plus : c’est l’acidification des océans. L’eau de mer reste basique (pH > 7). Les coquilles et squelettes en calcaire (coraux, huîtres, moules) se forment plus difficilement.
Une pluie mesurée. Un pluviomètre près d’une ancienne zone minière recueille une pluie de pH 4,3 : 4,3 est inférieur à 5,6, c’est une pluie acide. Les coupables probables : le SO₂ et les oxydes d’azote rejetés par les fumées et les moteurs.
Une gargouille rongée. Les détails d’une gargouille en calcaire s’effacent : les ions H⁺ de la pluie réagissent avec le carbonate de calcium, du CO₂ se dégage et les ions calcium partent avec l’eau. La pierre perd de la matière.
Le chaulage d’un lac. Le calcaire en poudre réagit avec les ions H⁺ de l’eau : il en reste moins, le pH du lac remonte. C’est la même réaction que celle qui ronge la gargouille, mise ici au service du lac.
Réflexe — pH inférieur à 5,6 → pluie acide, à cause du SO₂ et des oxydes d’azote ; un pH qui baisse = une eau qui devient plus acide, même si elle reste basique.
Attention — le CO₂ ne fait pas les pluies acides : il donne à toute pluie son pH de 5,6. Et « acidification des océans » ne veut pas dire que la mer est acide : son pH baisse, mais reste supérieur à 7.
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Polluer et dépolluer l’eau
En 5e, tu as vu en SVT que les engrais en excès provoquent l’eutrophisation des eaux : les algues prolifèrent, puis leur décomposition consomme le dioxygène (Activités humaines et biodiversité (SVT 5e)). En 3e, on analyse et on traite l’eau en chimiste.
• On mesure un polluant par sa concentration, souvent en mg/L. Masse de polluant = concentration × volume d’eau. Limite de qualité de l’eau du robinet en France pour les nitrates : 50 mg/L. Au-delà, l’eau n’est pas conforme : elle est déconseillée aux femmes enceintes et aux nourrissons, et il faut la traiter ou la mélanger à une eau moins chargée. Très solubles, les nitrates des champs sont entraînés par la pluie jusqu’aux rivières et aux nappes. Deux eaux mélangées à volumes égaux donnent une concentration égale à la moyenne des deux.
• Analyser une eau : son pH (papier pH, pH-mètre) et les tests d’ions — la soude donne un précipité bleu avec les ions cuivre Cu²⁺, vert avec Fe²⁺, rouille avec Fe³⁺, blanc avec Zn²⁺ ; le nitrate d’argent, un précipité blanc avec les ions chlorure (Ions : cations, anions et tests d’identification).
• Traiter avant de rejeter (au laboratoire du collège) : une solution seulement acide ou basique est neutralisée (pH ramené entre 5 et 8 environ) puis versée à l’évier sous l’eau du robinet ; une solution d’ions métalliques est traitée par la soude, filtrée, et le précipité va dans un bidon de récupération. Diluer ne dépollue pas : la masse de polluant reste la même.
• Ne confonds pas deux traitements. La potabilisation, vue en 6e, rend potable l’eau d’une rivière ou d’une nappe (Mélanges : dissolution et saturation (6e)).
• Épuration (eaux usées → rivière) : dégrillage, décantation, puis traitement biologique : dans un bassin aéré, des bactéries dégradent la matière organique en consommant le dioxygène de l’air insufflé — c’est une dépollution biochimique. L’eau rendue à la rivière est propre, mais pas potable.
• Efficacité d’un traitement : abattement (%) = (entrée − sortie) ÷ entrée × 100.
Un puits trop chargé. L’eau d’un puits contient 62 mg/L de nitrates : plus que 50 mg/L, elle n’est pas conforme. Dans un arrosoir de 15 L : mg de nitrates.
Un abattement. Une station reçoit une eau à 12 mg/L de phosphates et la rejette à 3 mg/L : %. Les trois quarts des phosphates sont retirés.
Un rejet de TP. Une solution usagée donne un précipité bleu avec la soude : elle contient des ions cuivre Cu²⁺. On y ajoute de la soude jusqu’à ce que plus rien ne précipite, on filtre : le solide bleu va au bidon de récupération ; le liquide filtré, basique, est neutralisé avant l’évier.
Réflexe — masse = concentration × volume, puis je compare à la limite ; abattement = (entrée − sortie) ÷ entrée × 100 ; potabiliser (pour boire) ≠ épurer (pour rendre à la rivière).
Attention — verser une solution polluée dans beaucoup d’eau ne fait disparaître aucun polluant : sa concentration baisse, mais toute sa masse part dans la nature. Et l’eau qui sort d’une station d’épuration ne se boit pas.
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La chimie verte
• Quelques principes : prévenir les déchets plutôt que les traiter ensuite ; utiliser des solvants et des réactifs sans danger (l’eau, le dioxyde de carbone sous pression) ; économiser l’énergie en travaillant près de la température ambiante, grâce à des catalyseurs comme les enzymes ; partir de matières premières renouvelables (végétales) ; fabriquer des produits qui se dégradent en fin de vie.
• Économie d’atomes : la plus grande part possible de la masse des réactifs doit se retrouver dans le produit voulu. Économie d’atomes (%) = masse du produit voulu ÷ masse totale des réactifs × 100. La masse se conserve : masse des sous-produits (déchets) = masse des réactifs − masse du produit voulu.
• Biosourcé ≠ biodégradable. Biosourcé : fabriqué à partir de matière végétale. Biodégradable : décomposé par des micro-organismes en fin de vie. Le polyéthylène tiré de la canne à sucre est biosourcé mais pas biodégradable ; le PLA, fait d’amidon de maïs, ne se composte que dans un compost industriel (plus de 60 °C), pas dans la nature.
L’ibuprofène. Le premier procédé de fabrication (années 1960) comptait six étapes et une économie d’atomes d’environ 40 % : pour 1 kg d’ibuprofène, il fallait kg de réactifs, donc kg de déchets. Le procédé actuel, en trois étapes avec des catalyseurs, atteint environ 77 % : environ 1,3 kg de réactifs et 0,3 kg de déchets.
Le café décaféiné. On en retirait la caféine avec le dichlorométhane, un solvant dangereux pour la santé. Beaucoup d’usines utilisent aujourd’hui du dioxyde de carbone sous forte pression : il dissout la caféine, puis redevient gaz et ne laisse rien dans le café.
Un gobelet en PLA. Il est biosourcé (amidon de maïs). Jeté dans un fossé, il met des années à disparaître : il n’est compostable que dans une installation industrielle, à plus de 60 °C.
Réflexe — pour juger un procédé, je regarde ses déchets (économie d’atomes), ses solvants, son énergie (température, catalyseurs), ses matières premières et la fin de vie du produit.
Attention — « d’origine végétale » ne veut pas dire « biodégradable », ni « sans danger ». Et une économie d’atomes de 100 % signifie que tous les atomes des réactifs finissent dans le produit voulu : aucun sous-produit.
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Pour aller plus loin
Revoir. L’effet de serre naturel et ses gaz : La composition de l’air (6e). L’eau du robinet et son usine de traitement : Mélanges : dissolution et saturation (6e). Le recyclage des matériaux : Choisir un objet (technologie 5e). Les polluants de l’air (particules, NO₂, ozone, SO₂, CO), l’indice ATMO, les deux rôles de l’ozone et les gaz dissous dans l’eau : L’air : composition, molécules et dissolution des gaz (4e). L’eutrophisation et les marées vertes : Activités humaines et biodiversité (SVT 5e).
Dans les autres chapitres de 3e. Le pH, les ions H⁺ et HO⁻ et la dilution : pH : solutions acides, neutres et basiques. L’action des acides sur le calcaire et la neutralisation : Réactions des acides : métaux, calcaire et neutralisation. La masse de CO₂ rejetée par un combustible et la chaîne énergétique d’une combustion : Énergie chimique : combustions et piles. Les tests d’ions : Ions : cations, anions et tests d’identification. L’ajustement des équations avec des ions : Équations de réaction avec des ions.
Pour aller plus loin — une échelle qui compte par 10. Quand le pH baisse d’une unité, une même quantité de solution contient environ 10 fois plus d’ions H⁺ : une pluie de pH 4,6 contient environ 10 fois plus d’ions H⁺ qu’une pluie non polluée de pH 5,6.
Pour aller plus loin — le cycle de l’azote. Le diazote de l’air, très stable, est « fixé » par des bactéries du sol et des racines de légumineuses (trèfle, luzerne), ou par l’industrie, qui fabrique l’ammoniac des engrais : N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃. Des bactéries du sol transforment ensuite l’ammonium NH₄⁺ en nitrates (nitrification), absorbés par les plantes ; d’autres renvoient l’azote vers l’air sous forme de N₂ (dénitrification), en rejetant un peu de protoxyde d’azote.
- Les principaux gaz à effet de serre rejetés par nos activités sont CO₂, CH₄ et N₂O ; on les repère dans les produits d’une transformation : combustions, respiration et fermentation (CO₂), décompositions sans dioxygène (CH₄), calcaire chauffé ou attaqué par un acide (CO₂), engrais azotés (N₂O).
- Le bilan carbone se compte en équivalent CO₂ (méthane ≈ 30, protoxyde d’azote ≈ 270) ; végétation et océans absorbent environ la moitié de notre CO₂ ; on limite les émissions par la sobriété, l’énergie décarbonée, le recyclage, le traitement des déchets et le captage du CO₂.
- Une pluie est acide si son pH est inférieur à 5,6 : le SO₂ et les oxydes d’azote forment dans les nuages les acides sulfurique et nitrique, qui attaquent le calcaire, les lacs et les forêts ; le CO₂ dissous fait baisser le pH de l’océan (8,2 → 8,1), qui reste basique.
- On analyse une eau par son pH, ses tests d’ions et ses concentrations (masse = concentration × volume ; nitrates : 50 mg/L au plus) ; on traite avant de rejeter, car diluer ne dépollue pas ; potabiliser rend l’eau buvable, épurer la rend à la rivière grâce à des bactéries.
- La chimie verte prévient les déchets (économie d’atomes = produit ÷ réactifs × 100), choisit des solvants sûrs, économise l’énergie avec des catalyseurs et part de matières renouvelables ; biosourcé ne veut pas dire biodégradable.
Questions fréquentes
Quelles transformations chimiques rejettent des gaz à effet de serre ?
Les combustions de combustibles qui contiennent du carbone, la respiration et la fermentation rejettent du dioxyde de carbone ; la décomposition de matière organique sans dioxygène (décharges, marais, panse des ruminants) rejette du méthane ; le calcaire chauffé ou attaqué par un acide rejette du CO₂ ; les engrais azotés, transformés par les bactéries du sol, rejettent du protoxyde d’azote.
Que veut dire « équivalent CO₂ » ?
C’est une façon de compter tous les gaz à effet de serre avec la même unité : on multiplie la masse d’un gaz par son effet comparé à celui du CO₂ (environ 30 pour le méthane, environ 270 pour le protoxyde d’azote, sur cent ans). Le bilan carbone d’une activité s’exprime en kilogrammes ou en tonnes d’équivalent CO₂.
Pourquoi les pluies deviennent-elles acides ?
Le dioxyde de soufre et les oxydes d’azote rejetés par les combustions réagissent avec le dioxygène et l’eau des nuages et forment de l’acide sulfurique et de l’acide nitrique. Le pH de la pluie descend alors sous 5,6, le pH d’une pluie non polluée.
Quelle différence entre potabilisation et épuration ?
La potabilisation rend potable l’eau d’une rivière ou d’une nappe, pour qu’on puisse la boire. L’épuration nettoie les eaux usées avant de les rendre à la rivière, grâce à des bactéries qui dégradent la matière organique ; cette eau n’est pas potable.
Qu’est-ce que la chimie verte ?
C’est une façon de concevoir les procédés chimiques pour produire le moins de déchets et de substances dangereuses possible : économie d’atomes, solvants sans danger comme l’eau, catalyseurs qui économisent l’énergie, matières premières renouvelables et produits qui se dégradent en fin de vie.
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