Sciences · Chimie
Dioxyde de carbone (CO₂)
Le dioxyde de carbone, ou gaz carbonique, de formule CO₂, est un gaz incolore et inodore. Indispensable à la photosynthèse, il est aussi le principal gaz à effet de serre d’origine humaine.
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Le CO₂ est à la fois le gaz que nous expirons, celui qui fait pétiller les sodas, celui que les plantes transforment en sucre et celui dont l’accumulation dans l’atmosphère réchauffe le climat. Sa concentration dans l’air, d’environ 280 ppm (parties par million) avant la révolution industrielle, a dépassé 420 ppm au début des années 2020, une valeur inédite depuis au moins plusieurs centaines de milliers d’années d’après les carottes de glace.
Structure et propriétés
La molécule est linéaire : deux doubles liaisons C=O de part et d’autre du carbone. Chaque liaison est polaire, mais les deux s’annulent par symétrie : la molécule est apolaire.
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Masse molaire | 44,0 g/mol |
| Densité par rapport à l’air | ≈ 1,5 (plus lourd que l’air) |
| Sublimation (1 atm) | −78,5 °C |
| Point triple | −56,6 °C et 5,1 atm |
| Point critique | 31,0 °C et 73,8 bar |
| Solubilité dans l’eau (25 °C, 1 atm de CO₂) | ≈ 1,5 g/L |
À la pression atmosphérique, le CO₂ ne peut pas être liquide : le solide se sublime directement en gaz (voir les changements d’état). On le liquéfie sous pression dans les extincteurs et les bouteilles de gaz.
Ses réactions caractéristiques
- Dissolution acide : CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻. L’eau gazeuse est légèrement acide (pH ≈ 4 à 5), et les océans s’acidifient en absorbant le CO₂ humain : leur pH de surface a baissé d’environ 0,1 unité depuis l’ère préindustrielle.
- Test à l’eau de chaux : le CO₂ trouble l’eau de chaux en formant un précipité blanc de carbonate de calcium : Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O. C’est le test classique au collège pour mettre en évidence ce gaz.
- Production à partir de carbonates : un acide sur du calcaire ou du bicarbonate dégage du CO₂ (effervescence du vinaigre sur le calcaire, levée de la pâte par la levure chimique).
- Il n’entretient pas la combustion de la plupart des corps : une bougie s’éteint dans une atmosphère de CO₂, d’où son usage dans les extincteurs. Le magnésium enflammé continue toutefois de brûler dans le CO₂.
D’où vient-il ?
| Source | Processus |
|---|---|
| Combustion | charbon, pétrole, gaz, bois : C + O₂ → CO₂ |
| Respiration cellulaire | les êtres vivants oxydent le glucose et rejettent du CO₂ |
| Fermentation | les levures transforment les sucres en éthanol et CO₂ (bulles du champagne, de la bière, du pain) |
| Volcans | dégazage du magma |
| Industrie | fabrication du ciment (CaCO₃ → CaO + CO₂), sidérurgie |
| Décomposition | dégradation de la matière organique par les micro-organismes |
Un être humain au repos expire environ 1 kg de CO₂ par jour. L’air expiré en contient environ 4 %, contre 0,04 % dans l’air inspiré.
Le cycle du carbone
Le CO₂ circule entre l’atmosphère, les océans, la biosphère et les roches. La photosynthèse le fixe : 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂, sous l’action de la lumière. La respiration et la décomposition le restituent. Les océans en absorbent une grande partie ; sur le temps long, les roches carbonatées (calcaire) en stockent d’énormes quantités. Voir le carbone.
En brûlant des combustibles fossiles, l’humanité réinjecte en quelques siècles du carbone stocké pendant des millions d’années. Environ la moitié des émissions reste dans l’atmosphère, le reste est absorbé par les océans et la végétation.
L’effet de serre
Le CO₂ est transparent à la lumière visible du Soleil mais absorbe une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre, ce qui réchauffe la basse atmosphère : c’est l'effet de serre. Ce mécanisme naturel rend la Terre habitable ; son renforcement par les émissions humaines est la principale cause du réchauffement climatique actuel. Le CO₂ est le gaz de référence pour mesurer les autres gaz à effet de serre (pouvoir de réchauffement global égal à 1).
Usages
- Boissons gazeuses : dissous sous pression.
- Extincteurs : adaptés aux feux électriques et de liquides.
- Froid : la neige carbonique transporte vaccins, échantillons et aliments surgelés.
- Fluide supercritique : extraction de la caféine du café et d’arômes (voir la chimie verte).
- Serres : enrichissement de l’air pour accélérer la croissance des plantes.
- Industrie : fabrication de l’urée, soudage sous gaz protecteur, étourdissement des animaux d’abattoir.
- Effets spéciaux : brouillard bas des scènes de spectacle, obtenu en plongeant de la glace sèche dans l’eau chaude.
Dangers
Il ne faut pas le confondre avec le monoxyde de carbone CO, gaz très toxique même à faible dose (voir l'intoxication au monoxyde de carbone).
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre CO et CO₂ ?
Le monoxyde de carbone CO, issu des combustions incomplètes, se fixe sur l’hémoglobine et empêche le transport de l’oxygène : il est mortel à faible concentration. Le dioxyde de carbone CO₂, produit des combustions complètes et de la respiration, n’est dangereux qu’à forte concentration, par asphyxie.
Pourquoi le CO₂ fait-il pétiller les boissons ?
Il est dissous sous pression dans la bouteille. À l’ouverture, la pression chute, la solubilité diminue (loi de Henry) et le gaz en excès forme des bulles.
Le CO₂ est-il un polluant ?
Il n’est pas toxique dans l’air ambiant et il est indispensable à la vie végétale. C’est son accumulation dans l’atmosphère, par ses effets sur le climat, qui en fait un enjeu environnemental majeur.