Qu’est-ce que le dioxyde de carbone et comment est-il découvert ?Joseph Black, un chimiste et médecin écossais, a identifié pour la première fois le dioxyde de carbone dans les années 1750. À température ambiante (20-25 oC), le dioxyde de carbone est un gaz inodore, incolore, faiblement acide et ininflammable. |
CO2-molécule |
Propriétés du dioxyde de carbone
Il existe plusieurs propriétés physiques et chimiques, qui appartiennent au dioxyde de carbone.
Nous allons ici les résumer dans un tableau.
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Propriété |
Valeur |
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Poids moléculaire |
Densité spécifique |
1.53 à 21 oC |
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Densité critique |
468 kg/m3 |
Concentration dans l’air |
370,3 * 107 ppm |
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Stabilité |
Haut |
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Liquide |
Pression < 415.8 kPa |
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Solide |
Température < -78 oC |
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Constante de Henry pour la solubilité |
298.15 mol/ kg * bar |
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Solubilité dans l’eau |
0.9 vol/vol à 20 oC |
Où sur terre trouve-t-on le dioxyde de carbone ?
Le dioxyde de carbone se trouve principalement dans l’air, mais aussi dans l’eau dans le cadre du cycle du carbone. Nous pouvons vous montrer comment fonctionne le cycle du carbone, à l’aide d’une explication et d’une représentation schématique. –> Passez au cycle du carbone.
Applications du dioxyde de carbone par les humains
Les humains utilisent le dioxyde de carbone de nombreuses façons différentes. L’exemple le plus connu est son utilisation dans les boissons gazeuses et la bière, pour les rendre pétillantes. Le dioxyde de carbone libéré par la poudre à lever ou la levure fait lever la pâte à gâteau.
Certains extincteurs utilisent le dioxyde de carbone car il est plus dense que l’air. Le dioxyde de carbone peut couvrir un feu, en raison de sa lourdeur. Il empêche l’oxygène de parvenir au feu et, par conséquent, la matière en feu est privée de l’oxygène dont elle a besoin pour continuer à brûler.
Le dioxyde de carbone est également utilisé dans une technologie appelée extraction par fluide supercritique qui est utilisée pour décaféiner le café. La forme solide du dioxyde de carbone, communément appelée glace sèche, est utilisée dans les théâtres pour créer des brouillards de scène et faire bouillonner des choses comme les « potions magiques ».
Le rôle du dioxyde de carbone dans les processus environnementaux
Le dioxyde de carbone est l’un des gaz les plus abondants dans l’atmosphère. Le dioxyde de carbone joue un rôle important dans les processus vitaux des plantes et des animaux, comme la photosynthèse et la respiration. Ces processus seront brièvement expliqués ici.
Les plantes vertes convertissent le dioxyde de carbone et l’eau en composés alimentaires, comme le glucose, et en oxygène. Ce processus est appelé photosynthèse.
La réaction de la photosynthèse est la suivante :
6 CO2 + 6 H2O –> C6H12O6 + 6 O2
Les plantes et les animaux, à leur tour, convertissent les composés alimentaires en les combinant avec de l’oxygène pour libérer de l’énergie pour la croissance et d’autres activités vitales. C’est le processus de respiration, l’inverse de la photosynthèse.
La réaction de respiration est la suivante :
C6H12O6 + 6 O2 –> 6 CO2 + 6 H2O
La photosynthèse et la respiration jouent un rôle important dans le cycle du carbone et sont en équilibre l’une avec l’autre.
La photosynthèse domine pendant la partie la plus chaude de l’année et la respiration domine pendant la partie la plus froide de l’année. Cependant, les deux processus se produisent toute l’année. Globalement, donc, le dioxyde de carbone dans l’atmosphère diminue pendant la saison de croissance et augmente pendant le reste de l’année.
Parce que les saisons dans les hémisphères nord et sud sont opposées, le dioxyde de carbone dans l’atmosphère augmente dans le nord tout en diminuant dans le sud, et vice versa. Le cycle est plus clairement présent dans l’hémisphère nord ; car il possède relativement plus de masse terrestre et de végétation terrestre. Les océans dominent l’hémisphère sud.
Influence du dioxyde de carbone sur l’alcalinité
Le dioxyde de carbone peut modifier le pH de l’eau. Voici comment cela fonctionne :
Le dioxyde de carbone se dissout légèrement dans l’eau pour former un acide faible appelé acide carbonique, H2CO3, selon la réaction suivante :
CO2 + H2O –> H2CO3
Après cela, l’acide carbonique réagit légèrement et de manière réversible dans l’eau pour former un cation hydronium, H3O+, et l’ion bicarbonate, HCO3-, selon la réaction suivante :
H2CO3 + H2O –> HCO3- + H3O+
Ce comportement chimique explique pourquoi l’eau, qui a normalement un pH neutre de 7 a un pH acide d’environ 5.5 lorsqu’elle a été exposée à l’air.
Les émissions de dioxyde de carbone par l’homme
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Du fait des activités humaines, la quantité de CO2 libérée dans l’atmosphère a fortement augmenté au cours des 150 dernières années. En conséquence, elle a dépassé la quantité séquestrée dans la biomasse, les océans et d’autres puits. Il y a eu une montée des concentrations de dioxyde de carbone dans l’atmosphère d’environ 280 ppm en 1850 à 364 ppm en 1998, principalement en raison des activités humaines pendant et après la révolution industrielle, qui a commencé en 1850. Les humains ont augmenté la quantité de dioxyde de carbone dans l’air en brûlant des combustibles fossiles, en produisant du ciment et en effectuant des défrichements et des combustions forestières. Environ 22% des concentrations actuelles de CO2 dans l’atmosphère sont dues à ces activités humaines, si l’on considère que les quantités naturelles de dioxyde de carbone ne changent pas. Nous examinerons de plus près ces effets dans le prochain paragraphe. |
Problèmes environnementaux – l’effet de serre
La troposphère est la partie inférieure de l’atmosphère, d’une épaisseur d’environ 10-15 kilomètres. Dans la troposphère se trouvent des gaz appelés gaz à effet de serre. Lorsque la lumière du soleil atteint la terre, une partie de celle-ci est transformée en chaleur. Les gaz à effet de serre absorbent une partie de la chaleur et la retiennent près de la surface de la terre, ce qui réchauffe la terre. Ce processus, communément appelé effet de serre, a été découvert il y a de nombreuses années et a ensuite été confirmé par des expériences en laboratoire et des mesures atmosphériques.
La vie telle que nous la connaissons n’existe que grâce à cet effet de serre naturel, car ce processus régule la température de la terre. Lorsque l’effet de serre n’existerait pas, la terre entière serait couverte de glace.
La quantité de chaleur piégée dans la troposphère détermine la température sur terre. La quantité de chaleur dans la troposphère dépend des concentrations de gaz à effet de serre dans l’atmosphère et du temps pendant lequel ces gaz restent dans l’atmosphère. Les gaz à effet de serre les plus importants sont le dioxyde de carbone, les CFC (chlorofluorocarbones), les oxydes d’azote et le méthane.
Depuis le début de la révolution industrielle en 1850, les processus humains ont provoqué des émissions de gaz à effet de serre, comme les CFC et le dioxyde de carbone. Cela a provoqué un problème environnemental : les quantités de gaz à effet de serre ont tellement augmenté que le climat de la terre est en train de changer car les températures augmentent. Cet ajout non naturel à l’effet de serre est connu sous le nom de réchauffement climatique. On soupçonne que le réchauffement climatique peut entraîner une augmentation des tempêtes, la fonte des calottes glaciaires sur les pôles, ce qui provoquera l’inondation des continents habités, et d’autres problèmes environnementaux.
Avec l’hydrogène, le dioxyde de carbone est le principal gaz à effet de serre. Cependant, l’hydrogène n’est pas émis lors des processus industriels. Les humains ne contribuent pas à la quantité d’hydrogène dans l’air, celle-ci ne fait que changer naturellement au cours du cycle hydrologique, et par conséquent, elle n’est pas une cause du réchauffement climatique.
L’augmentation des émissions de dioxyde de carbone provoque environ 50 à 60 % du réchauffement climatique. Les émissions de dioxyde de carbone sont passées de 280 ppm en 1850 à 364 ppm dans les années 1990.
Dans le paragraphe précédent, diverses activités humaines qui contribuent à l’émission de gaz carbonique ont été mentionnées. Parmi ces activités, la combustion de combustibles fossiles pour la production d’énergie est à l’origine d’environ 70-75% des émissions de dioxyde de carbone, étant la principale source d’émissions de dioxyde de carbone. Les 20-25% restants sont causés par le défrichement et le brûlage des terres et par les émissions des gaz d’échappement des véhicules à moteur.
La plupart des émissions de dioxyde de carbone proviennent des processus industriels dans les pays développés, comme aux États-Unis et en Europe. Cependant, les émissions de dioxyde de carbone des pays en développement sont en augmentation. Au cours de ce siècle, les émissions de dioxyde de carbone devraient doubler et elles devraient continuer à augmenter et à poser des problèmes par la suite.
Le dioxyde de carbone reste dans la troposphère environ cinquante jusqu’à deux cents ans.
La première personne qui a prédit que les émissions de dioxyde de carbone provenant de la combustion de combustibles fossiles et d’autres processus de combustion provoqueraient le réchauffement de la planète est Svante Arrhenius, qui a publié l’article « Sur l’influence de l’acide carbonique dans l’air sur la température du sol » en 1896.
Au début des années 1930, il a été confirmé que le dioxyde de carbone atmosphérique augmentait effectivement. À la fin des années 1950, lorsque des techniques de mesure très précises ont été développées, on a trouvé encore plus de confirmation. Dans les années 1990, la théorie du réchauffement climatique était largement acceptée, mais pas par tout le monde. La question de savoir si le réchauffement climatique est réellement causé par l’augmentation du dioxyde de carbone dans l’atmosphère, fait toujours l’objet de débats.
Augmentation des concentrations de dioxyde de carbone dans l’air au cours des dernières décennies
Le traité de Kyoto
Les dirigeants du monde entier se sont réunis à Kyoto, au Japon, en décembre 1997 pour envisager un traité mondial limitant les émissions de gaz à effet de serre, principalement de dioxyde de carbone, qui sont censés être à l’origine du réchauffement climatique. Malheureusement, si les traités de Kyoto ont fonctionné pendant un certain temps, l’Amérique tente maintenant de s’y soustraire.
Dioxyde de carbone et santé
Le dioxyde de carbone est essentiel à la respiration interne d’un corps humain. La respiration interne est un processus, par lequel l’oxygène est transporté vers les tissus du corps et le dioxyde de carbone est évacué de ceux-ci.
Le dioxyde de carbone est un gardien du pH du sang, ce qui est essentiel pour la survie.
Le système tampon dans lequel le dioxyde de carbone joue un rôle important est appelé le tampon carbonate. Il est composé d’ions bicarbonate et de dioxyde de carbone dissous, avec de l’acide carbonique. L’acide carbonique peut neutraliser les ions hydroxyde, qui augmenteraient le pH du sang lorsqu’ils sont ajoutés. L’ion bicarbonate peut neutraliser les ions hydrogène, ce qui entraînerait une diminution du pH du sang lorsqu’il est ajouté. L’augmentation et la diminution du pH mettent toutes deux la vie en danger.
En plus d’être un tampon essentiel dans le système humain, le dioxyde de carbone est également connu pour provoquer des effets sur la santé lorsque les concentrations dépassent une certaine limite.
Les principaux dangers du dioxyde de carbone pour la santé sont :
– Asphyxie. Causée par la libération de dioxyde de carbone dans une zone confinée ou non ventilée. Cela peut abaisser la concentration d’oxygène à un niveau immédiatement dangereux pour la santé humaine.
– Les engelures. Le dioxyde de carbone solide est toujours inférieur à -78 oC à la pression atmosphérique normale, quelle que soit la température de l’air. La manipulation de ce matériau pendant plus d’une seconde ou deux sans protection appropriée peut provoquer de graves ampoules, et d’autres effets indésirables. Le dioxyde de carbone gazeux libéré par une bouteille en acier, comme un extincteur, provoque des effets similaires.
– Lésion rénale ou coma. Ceci est causé par une perturbation de l’équilibre chimique du tampon carbonate. Lorsque les concentrations de dioxyde de carbone augmentent ou diminuent, entraînant une perturbation de l’équilibre, une situation mettant la vie en danger peut se produire.
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