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" Le carbone est le sixième élément chimique du tableau périodique*. Il possède donc 6 protons auxquels s'ajoutent habituellement 6 neutrons pour constituer un isotope stable 12C. Bien que ne représentant que 0.02% de la croûte terrestre, notre vie de tous les jours est fortement influencée par le carbone : - nous brûlons du charbon et des hydrocarbures pour nous déplacer, nous chauffer et faire fonctionner nos industries, - par le biais de notre respiration, nous rejetons chaque jour 900 g. de CO2, - les organismes vivants ne fonctionnent qu'à travers la chimie basée sur les dérivés du carbone, - la végétation consomme beaucoup de CO2 pour constituer le bois, - les organismes marins l'utilisent aussi pour constituer leur squelette calcaire, - les polémiques sur l'origine du réchauffement climatique mettent en cause le CO2 dont la teneur dans l'atmosphère induirait une augmentation de l'effet de serre, - accessoirement les dames aiment les diamants, une forme pure de carbone !
Ces considérations méritent donc que nous lui consacrions ce petit ouvrage pour mieux connaître le cycle du carbone dont nous sommes tributaires plus que de tout autre élément. Le sujet est polémique sur certains aspects, aussi vais-je essayer de rester le plus possible objectif et me cantonner aux faits scientifiquement démontrés. "
Bonne lecture !
* Dmitri Ivanovitch Mendeleiev, chimiste russe (1834-1907), inventeur de la classification périodique des éléments chimiques.
Le carbone dans la nature
La matière est constituée d'atomes qui s'associent pour former des composés chimiques. Il y a environ 90 sortes d'atomes dans la croûte terrestre. On les appelle éléments chimiques et ce sont eux qui constituent la matière qui nous entoure. Certains atomes sont très abondants, d'autres sont beaucoup plus rares.
On voit que dix éléments composent à eux seuls 99.3 % des atomes de la croûte terrestre. Tous les autres éléments se partagent le 0.7 % restant.
Les membres de la famille Cuivre, qui nous paraissent être abondants par l'usage qu'en font les Terriens, n'existent en réalité qu'en très faible quantité : deux ou trois atomes sur 100.000 !
Les frères Carbone qui aussi nous semblent abondants par le rôle important qu'ils jouent dans le monde vivant ne représentent que 0.02 % de la population. Ne parlons même pas des aristocrates Or, Argent ou Platine, encore bien plus rares, qui ne constituent que moins de un cent millionième de la population !
Comme les atomes ont des poids et des volumes très différents les uns des autres, les pourcentages de leur abondance changent suivant qu'on exprime les proportions relatives des éléments, en poids, en volume ou en nombre d'atomes.
Ainsi, si on considère le petit hydrogène qui est le plus léger de tous les éléments, on voit qu'il représente 2.8 % du nombre d'atomes qui constituent la croûte terrestre mais seulement 0.15 % en poids !
Le cas du carbone
Sur le tableau périodique, appelé aussi tableau de Mendeleïev, le carbone est le sixième élément dans la longue suite de ses congénères. On le désigne par l'abréviation 12C. Il possède 6 protons et six neutrons et son poids atomique est 12.011. C'est l'isotope* le plus courant du carbone. On trouve aussi deux autres isotopes, 13C et 14C qui renferment respectivement 7 et 8 neutrons. Mais ils sont plutôt rares.
On voit que le carbone 14 [14C] est très instable. Il aurait dû disparaître de la nature depuis longtemps en raison de sa très brève demi-vie (5'730 ans), mais sa disparition est compensée en permanence par la formation de cet isotope dans la haute atmosphère par transmutation de l'azote 14 [14N] sous l'action des rayons cosmiques. Le réaction est :
ce qui se lit :
un atome d'azote frappé par un neutron expulse un proton et se transmute en carbone 14.
* Rappelons que le nombre de neutrons à l'intérieur du noyau d'un atome peu varier. Le carbone peut renfermer 6, 7 ou 8 neutrons. Ces atomes, légèrement différents par leur masse, sont des sortes de cousins d'une même famille. On les appelle des isotopes. Les propriétés chimiques sont semblables. Ce n'est que leur masse qui est un peu différente. Pour mesurer leurs proportions respectives , on utilise un spectrographe de masse
Le carbone peut cristalliser
Dans le monde minéral, le carbone peut cristalliser sous 2 formes distinctes : le diamant ou le graphite, deux minéraux aux propriétés diamétralement opposées. L'arrangement des atomes au sein de la structure dépend des conditions de pression et de température dans lesquelles le minéral s'est formé. Le diamant a besoin d'une pression énorme pour cristalliser alors qu'à faible pression le carbone cristallise sous forme de graphite.
La structure cubique du diamant est très compacte. La distance entre chaque atomes n'est que de 1.544 Å. Cela donne à l'ensemble une très forte cohésion. Le dureté du diamant est 10, c'est la dureté la plus élevée de tous les minéraux. Le diamant se consume intégralement en dioxyde de carbone CO2 sans laisser de cendre.
La structure du graphite est constitués d'un empilement de couches avec une structure hexagonale en "nids d'abeilles", séparées les unes de autres par une distance de 3.35 Å. Les liaisons entre les atomes de carbone dans les couches à structure hexagonale sont très fortes. Ce sont les fameuses feuillets de graphène !
La liaison entre 2 couches est très faible, régie par des des forces dites "de van des waals". Cela explique la très faible dureté du graphite. La mines des crayons, appelée autrefois "mine de plomb", est en fait du graphite.
OU TROUVE T-ON LE CARBONE DANS LA PLANETE ?
Dans la lithosphère
Une partie du carbone est momentanément immobilisé dans la croûte terrestre (ou lithosphère) et son principal réservoir se trouve dans les roches carbonatées, les calcaires du Jura, par exemple. La composition chimique de la calcite, le principal composant des calcaires, est CaCO3.
Le carbone représente le 20 % des atomes des roches carbonatées, 13.5 % si on considère le poids. On estime que les roches calcaires réparties sur les continents renferment 30 000 000 gigatonnes3 [Gt] de carbone. On trouve également le carbone sous forme de charbon et d'hydrocarbures. On les exploite abondamment pour l'énergie qu'ils produisent. On estime que les gisements de charbon et d'hydrocarbures renferment 7 000 000 Gt de carbone.
* une gigatonne [Gt] équivaut à un milliard de tonnes
Le Creux-du-Van,
Un cirque de roches calcaires dans le massif du Jura.
Le calcaire renferme 12 % de carbone, en poids.
C'est un des principaux réservoirs de carbone (30 000 000 Gt).
Exploitation du charbon en surface,
Hambach, Niederzier, Allemagne,
première source de gaz à effet de serre en Europe.
Exploitation du pétrole,
à Andrezel, près de Paris,
Dans la biosphère
La biosphère concerne l'ensemble des manifestations de la vie, soit le règne végétal et le règne animal. Son existence est intimement liée à l'interaction qu'elle entretient avec la terre végétale, l'atmosphère et l'hydrosphère. Dans la biosphère, le carbone joue un rôle prépondérant car il est à la base de toutes les réactions de la chimie organique. En particulier, grâce à la photosynthèse, le CO2 de l'air synthétise la cellulose (C6H10O5)n , le principal composant du bois. On estime que les forêts accumulent 2'000 Gt de carbone sous forme de bois.
Forêt primaire,
Congo,
La végétation est un grand réservoir de carbone (env. 2'000 Gt).
Dans les océans (l'hydrosphère)
L'océan absorbe le CO2 de l'atmosphère :
-
par dissolution naturelle du CO2 à la surface de l'eau ;
-
par l'activité du phytoplancton* qui absorbe le CO2 et rejette de l'oxygène par le biais de la photosynthèse ;
-
par l'activité des microorganismes du zooplancton** qui fixent le carbone dans leur test calcaire. A la mort de ces organismes, les squelettes calcaires s'accumulent sur les fonds marin formant les boues calcaires qui, plus tard, par endurcissement, constitueront les roches calcaires
La quantité de CO2 renfermée dans les océans est estimée à 39 000 Gt.
* plancton végétal, organismes microscopiques qui peuplent la partie superficielle des océans.
** plancton animal, organismes microscopiques qui sécrètent des tests calcaires.
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En simplifiant on peut écrire que l'absorption du CO2 par les océans contribue à former de l'acide carbonique (H2CO3) selon le schéma suivant :
L'acide carbonique se dissout à son tour alors dans l'eau selon le schéma :
Puis par combinaison avec les ions calcium contenu dans l'eau de mer, les foraminifères, ces microorganismes unicellulaires, sécrètent alors leur test calcaire selon le schéma :
On voit que cette réaction libère à son tour un petit excès de CO2.
Dans l'atmosphère
Le carbone se lie avec l'oxygène pour former la molécule CO2. C'est un gaz incolore, inodore à saveur piquante. On le connait sous le nom de gaz carbonique ou anhydrite carbonique. Il représente environ 0.037% de l'atmosphère.
Molécule de CO2
Plus rarement, le carbone peut se combiner aussi avec 4 atomes d'hydrogène pour former la molécule de méthane, CH4. Sa teneur dans l'atmosphère est d'environ 0.0018 %. Le méthane finit par s'oxyder et se transformer en CO2 suivant le schéma :
Molécule de méthane CH4
La quantité de carbone présent dans l'atmosphère sous forme de CO2 est estimée à 750 Gt.
Carbone immobilisé dans notre environnement
En englobant dans le terme environnement les roches sédimentaires qui renferment du carbone, on constate que la quantité totale de carbone ainsi immobilisée dans la lithosphère, l'hydrosphère, la biosphère et l'atmosphère est estimée à 79 750 Gt. (72 750 milliards de tonnes).
Le carbone momentanément stocké est donc :
- dans les roches calcaires, env. 30 000 000 Gt6 ,
- dans les gisements de charbon et d'hydrocarbures, env. 7 000 000 Gt.
- dans la biosphère, sous forme de bois, env. 2 000 Gt.
A l'état de CO2 :
- dans l'atmosphère, env. 750 Gt (masse totale de l'atmosphère: 5,13 x 106 Gt),
- dissous dans les eaux des océans, env. 39 000 Gt.
Comportement du carbone
Contrairement aux minéraux qui sont des assemblages d’atomes liés entre eux principalement par des liaisons ioniques, le carbone est l’ami des liaisons covalences qui lui permettent de se lier facilement à l'oxygène et à l'hydrogène pour constituer deux gaz, le dioxyde de carbone et le méthane, qui jouent un rôle essentiel dans tous les processus liés à la vie.
A un second degré, le carbone et l'hydrogène sont les principaux constituants des hydrocarbures si bénéfiques pour l'usage que nous en faisons mais aussi maléfiques pour les conséquences sur l'environnement que leur usage abusif produit.
Le méthane est un produit de l'industrie pétrolière.
Le méthane CH4 est un gaz incolore, inodore et facilement inflammable. Il est le produit de la décomposition de matières organiques à l'abri de l'air. C'est le "gaz naturel" que nous utilisons à grande échelle pour notre chauffage domestique. C'est la portion la plus légère des hydrocarbures. La production annuelle de ce gaz par l'industrie pétrolière s'élève à 3 500 milliards de m3. A ce titre il fait partie de la grande famille des hydrocarbures.
On le trouve aussi partout où des déchets organiques se décomposent à l'abri de l'air. Les tourbières, les zones humides, les rizières et l'élevage du bétail sont de grands producteurs de méthane.
On produit artificiellement le méthane plus ou moins pur dans des installations, des "digesteurs" en traitant les boues d'épuration et les déchets organiques : c'est le biogaz qui contribue partiellement à satisfaire nos besoins en énergie.
Le grisou tant redouté des mineurs est du méthane
Lors de l'exploitation des mines de charbon, le méthane piégé dans le charbon se libère lentement dans les galeries. C'est le grisou des mineurs, composé à 90% de méthane. Lorsque la proportion de méthane dans l'air atteint des valeurs comprises entre 5 et 15%, cela donne un mélange détonnant qui explose à la moindre étincelle. C'est le coup de grisou tant redouté des mineurs.