Dioxyde de carbone

Qu'est ce que le dioxyde de carbone et comment a-t-il été découvert?

Joseph Black, un physicien et chimiste écossais, a identifié pour la première fois le dioxyde de carbone dans les années 1750. A température ambiante (20-25 oC), le dioxyde de carbone est un gaz sans couleur ni odeur, qui est faiblement acide et inflammable.
La formule moléculaire du dioxyde de carbone est CO2. Cette molécule linéaire est composé d'un atome de carbone qui est relié par double liaison à deux atomes d'oxygène, O=C=O.
Bien que le dioxyde de carbone soit principalement de forme gazeuse, il a aussi une forme solide et liquide. Il peut seulement être solide à une température inférieure à -78oC. Le dioxyde de carbone liquide existe principalement quand il est dissout dans l'eau. Le dioxyde de carbone est seulement soluble dans l'eau quand la pression est maintenue. Après une baisse de la pression, il essaiera de s'échapper dans l'air, laissant une masse de bulles d'air dans l'eau.

CO2-molécule

Propriétés du dioxyde de carbone

Il y a plusieurs propriétés physico-chimiques qui sont caractéristiques du dioxyde de carbone.
En voici un résumé dans le tableau suivant.

Propriété

Valeur

Poids moléculaire

44.01

Gravité spécifique

1.53 à 21 oC

Densité critique

468 kg/m3

Concentration dans l'air

370,3 * 107 ppm

Stabilité

Elevée

Liquide

Pression < 415.8 kPa

Solide

Température < -78 oC

Constante d'Henry de solubilité

298.15 mol/ kg * bar

Solubilité dans l'eau

0.9 vol/vol à 20 oC

Ou trouvons-nous du dioxyde de carbone sur terre?

Le dioxyde de carbone peut principalement être trouvé dans l'air, mais aussi dans l'eau en tant que partie du cycle du carbone. Vous pouvez consultez la page sur le cycle du carbone.

Applications du dioxyde de carbone par les hommes

Les hommes utilisent du dioxyde de carbone dans différents buts. L'exemple le plus courant est son utilisation dans les boissons gazeuses et la bière.
Certains extincteurs utilisent du dioxyde de carbone parce qu'il est plus dense que l'air. Le dioxyde de carbone peut couvrir un feu en raison de son poids. Il empêche l'oxygène d'atteindre le feu et, en conséquent, le matériel brûlant est privé de l'oxygène nécessaire pour continuer à bruler.
Le dioxyde de carbone est aussi utilisé dans une technologie appelée extraction de fluide supercritique qui est utilisée pour décaféiner le café. La forme solide du dioxyde de carbone, couramment connu sous le nom de Glace Sèche, est utilisée dans les théâtres pour créer le brouillard et faire des choses tels que les bulles de "potions magiques".

Le rôle du dioxyde de chlore dans les procédés environnementaux

Le dioxyde de carbone est un des gaz les plus abondant de l'atmosphère. Le dioxyde de carbone joue un rôle important dans les procédés vitales des plantes et des animaux, telle que la photosynthèse et la respiration. Ces procédés sont brièvement décrit ci-dessous.

Les plantes vertes convertissent le dioxyde de carbone et l'eau en composés alimentaires, tel que le glucose et l'oxygène. Ce procédé est appelé photosynthèse.

La réaction de photosynthèse est la suivante:
6 CO2 + 6 H2O --> C6H12O6 + 6 O2

Le plantes et les animaux, en retour, convertissent les composés alimentaires en les combinant avec l'oxygène pour libérer l'énergie pour la croissance et les autres activités vitales. Ceci est le procédé de respiration, l'inverse est la photosynthèse.

La réaction de respiration est la suivante:
C6H12O6 + 6 O2 --> 6 CO2 + 6 H2O

La respiration et la photosynthèse jouent un rôle important dans le cycle du carbone et sont à l'équilibre l'une de l'autre.
La photosynthèse domine durant les périodes chaudes de l'année et l respiration domine durant les périodes plus froides. Cependant, les deux procédés ont lieu durant toute l'année. De plus, le dioxyde de carbone de l'atmosphère diminue lors des saisons de croissance et augmente durant le reste de l'année.
Parce que les saisons de l'hémisphère nord et sud sont opposées, la teneur en dioxyde de carbone dans l'atmosphère augmente dans le nord pendant qu'il diminue au sud, et vice versa. Le cycle est plus clairement présent dans l'hémisphère nord; parce qu'il y a relativement plus de masses continentales et de végétation terrestre. Les océans sont plus dominants dans l'hémisphère sud.

Influence du dioxyde de carbone sur l'alcalinité

Le dioxyde de carbone peut changer le pH de l'eau. Voici comment cela est possible:

Les dioxyde de carbone se dissouts dans l'eau pour former un acide faible appelé acide carbonique, H2CO3, suivant la réaction suivante:
CO2 + H2O --> H2CO3

Après ça, l'acide carbonique réagit, de manière réversible, dans l'eau pour former le cation hydronium, H3O+, et l'ion bicarbonate, HCO3-, suivant la réaction suivante:
H2CO3 + H2O --> HCO3- + H3O+

Ce comportement chimique explique pourquoi l'eau, qui est normalement à pH neutre de 7, a un pH approximativement de 5.5 lorsqu'elle est exposée à l'air.

Emissions de dioxyde de carbone par les hommes

Due à l'activité humaine, la quantité de CO2 relâchée dans l'atmosphère a énormément augmenté lors des derniers 150 ans. Par conséquent, elle a excédé séquestrée dans la biomasse, et les océans.
Il y a eu une élévation de la concentration en dioxyde de carbone dans l'atmosphère de 280 ppm en 1850 à 364 ppm en 1998, principalement à cause des activités humaines durant et après la révolution industrielle qui débuta en 1850.
Les hommes ont augmenté la quantité en dioxyde de carbone dans l'air en brulant les combustibles fossiles, en produisant du ciment et en le transportant dans les terrains propres et par l'utilisation des forêts. Environ 22% de la concentration en CO2 de l'atmosphère a été apporté par les activités humaines, en considérant qu'il n'y a aucun changement dans les quantités naturelles en dioxyde de carbone. Nous regarderons 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'environ 10 à 15 kilomètres d'épaisseur. A l'intérieur de la troposphère, il y a des gaz appelés gaz à effet de serre. Lorsque la lumière du soleil atteint la terre, une partie est convertie en chaleur. Les gaz à effet de serre absorbe de la chaleur et le piège près de la surface de la terre, ainsi la terre se réchauffe. Ce procédé, couramment appelé effet de serre, a été découvert il y a de nombreuses années et fut confirmé grâce à des expériences en laboratoire et des mesures atmosphériques.
La vie telle que nous la connaissons, existe seulement grâce à l'effet de serre naturel, puisque ce procédé régule la température de la terre. Si l'effet de serre n'existait pas, la terre entière serait couverte de glace.
La quantité de chaleur piégée dans la troposphère détermine la température de la terre. Cette quantité dépend de la concentrations de gaz à effet de serre dans l'atmosphère et de leur temps de stagnation dans l'atmosphère. Les gaz à effet de serre les plus importants sont le dioxyde de carbone, les CFC (chlorofluorocarbure), les oxydes d'azote et le méthane.

Depuis la révolution industrielle en 1850, les procédés créé par les hommes ont provoqué l'émission de nombreux gaz à effet de serre, tels que le CFC et le dioxyde de carbone. Ceci a causé des problèmes environnementaux: les quantités de gaz à effets de serre ont nettement augmenté, ainsi le climat sur terre change puisque les températures augmentent. Cette addition contre nature d'effet de serre est appelé réchauffement global. On suspecte que ce réchauffement de la planète causera, en autre, une intensification de l'activité des tempêtes et la fonte des glaces aux pôles, qui causeront de graves inondations..

Avec l'hydrogène, le dioxyde de carbone est le principal gaz à effet de serre. Cependant, l'hydrogène n'est pas émit durant les procédés industriels. Les hommes n'ont pas d'influence sur la quantité d'hydrogène dans l'air, elle change naturellement lors des cycle de l'eau, et par conséquent, elle n'engendre pas le réchauffement de la planète.
L'augmentation des émissions de dioxyde de carbone provoque environ 50 à 60% du réchauffement de la planète. Les émissions du dioxyde de carbone a augmenté de 280 ppm en 1850 à 364 ppm dans les années 1990.

dans le paragraphe précédent, on a mentionné que plusieurs activités humaines contribuait à l'émission de dioxyde de carbone. De ces activités, la combustion des combustibles fossiles pour la production d'énergie cause 70 à 75% des émissions de dioxyde de carbone, devenant ainsi le principal responsable des émissions de dioxyde de carbone. Les 20-25% des émissions restantes sont causées par le brûlage des terrains, et par les émissions des gaz d'échappement des véhicules motorisés.
La plupart des émissions de dioxyde de carbone proviennent de procédés industriels des pays développés, tels qu'aux Etats-Unis et l'Europe. Cependant, les émissions de dioxyde de carbone dans les pays en développement augmente. Durant le dernier siècle, les émissions de dioxyde de carbone ont doublé et, on pense qu'ils vont continuer à augmenter et, ainsi, provoquer d'autres problèmes.
Le dioxyde de carbone reste dans la troposphère environ 50 à 200 ans.

La première personne qui prédit que les émissions de dioxyde de carbone dus à la combustion des combustibles fossiles et des autres procédés de combustion, fut Svante Arrhenius, qui publia l'article "On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground" en 1896.
Au début des années 1930, il a été confirmé que le dioxyde de carbone augmentait. A la fin des années 1950 lorsque des techniques de mesure plus adéquates fut développées, plus de confirmation ont été trouvées. Durant les années 1990, la théorie sur le réchauffement de la planète a été largement acceptée, bien qu'elle ne fut pas cautionnée par tout le monde. Si le réchauffement de la planète est vraiment provoqué par l'augmentation du dioxyde de carbone, il est encore discuté.

L'augmentation des concentrations en dioxyde de carbone dans les dernières décennies

Le traité de Kyoto

Les "leaders" des plus grands pays se sont réunis à Kyoto, au Japon, en décembre 1997 pour établir un traité mondial sur les restrictions de gaz à effet de serre, principalement le dioxyde de carbone, qui sont responsables du réchauffement de la planète. Malheureusement, alors que les traités de Kyoto ont fonctionné durant un moment, l'Amérique essaye de les éluder.

Le dioxyde de carbone et la santé

Le dioxyde de carbone est essentiel pour la respiration dans le corps humain. La respiration est un procédé par lequel l'oxygène est transporté dans les tissu du corps humain qui rejette alors le dioxyde de carbone.
Le dioxyde de carbone est un gardien du pH du sang, qui est essentiel à la survie.
Le système tampon dans lequel le dioxyde d carbone joue un rôle important est appelé tampon carbonate. Il se compose d'ions bicarbonate et de dioxyde de carbone dissous, avec de l'acide carbonique. L'acide carbonique peut neutraliser les ions hydroxyde, qui augmente la valeur du pH du sang lorsqu'ils sont ajoutés. Les ions bicarbonates peuvent neutraliser les ions hydrogènes, qui causerait une chute du pH dans le sang. L'augmentation et la diminution sont, tout les deux, dangereuses.

A part être un tampon essentiel au corps humain, le dioxyde de carbone est aussi connu pour causer des effets sur la santé quand les concentrations excèdent certaines limites.

Les dangers sur la santé du dioxyde de carbone sont:
- Asphyxie. Causé par les rejets de dioxyde de carbone dans des endroits confinés ou non-ventilés. Ceci peut baisser la concentration en oxygène à un niveau dangereux pour la santé humaine.
- Gelure. Le dioxyde de carbone solide est toujours inférieur à -78 oC à pression atmosphérique, indépendamment de la température de l'air. Manipuler ce matériau durant une à deux secondes sans protection adaptée peut causer de sérieuses brûlures, et d'autres effets indésirables. Le gaz de dioxyde de carbone relâché des cylindre en acier, tels que les extincteurs, peut causer des effets similaires.
- Dommages ou coma des reins. Ceci est causé par une perturbation de l'équilibre chimique du tampon carbonate. Quand les concentrations en dioxyde de carbone augmentent ou diminuent, causant donc une perturbation de l'équilibre, des problèmes mettant en danger la vie peuvent se produire.


Sources:

http://www.oism.org/pproject/s33p36.htm
http://cdiac.ornl.gov/pns/faq.html
http://www.ilpi.com/msds/ref/carbondioxide.html
Living in the Environment, a book by G. Tyler Miller







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