Chaux (chimie) - Définition

Le terme de chaux est générique. Il regroupe un grand nombre de produits, dont le seul point commun est d'être obtenu par calcination, c’est-à-dire chauffage à haute température, de pierre calcaire. Selon la composition du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) de base, on obtiendra de la chaux aérienne ou de la chaux hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les...). La chaux vive désigne le matériau brut obtenu en sortie de four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage...). Les usages de la chaux sont très nombreux.

La chaux vive est un produit potentiellement dangereux, principalement employé dans l'industrie et l'agriculture. Avide d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...), elle est utilisée pour assécher, détruire les matières organiques riche en eau.

Le principal constituant de la chaux vive est l'oxyde de calcium (L'oxyde de calcium, communément appelé chaux vive, est un produit obtenu par calcination...), qui a pour formule CaO. Après apport d'eau, elle devient la chaux éteinte Ca(OH)₂ (portlandite) utilisée dans le bâtiment pour la réalisation d'enduits : chaux grasse ou chaux aérienne, chaux hydraulique naturelle.

L'hydratation (L'hydratation désigne plusieurs phénomènes liés à l'eau.) de la chaux vive

Mise en contact avec de l'eau, il se produit une réaction très exothermique. Cette étape est nécessaire à l'obtention de chaux éteinte, qu'elle soit aérienne ou hydraulique. Dans le cas de la chaux hydraulique, il est nécessaire d'employer la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) juste nécessaire d'eau, afin de ne pas permettre la prise du matériau. Dans le cas de la chaux obtenue à partir de calcaire (Les calcaires sont des roches sédimentaires, troisièmes plus abondantes après les...) pur, la quantité d'eau n'est pas limitée. Lorsque la quantité d'eau ajoutée est juste suffisante pour obtenir la réaction d'extinction (D'une manière générale, le mot extinction désigne une action consistant à éteindre quelque...), c’est-à-dire d'hydratation de la chaux, on obtient une poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent...) blanche. Si la quantité d'eau est plus importante, on obtient une pâte blanche.

La chaux aérienne

La chaux aérienne est obtenue à partir de calcaire très pur. On la trouve sous différentes appellations : CAEB (ancienne normalisation : Chaux Aérienne Eteinte pour le Bâtiment remplacé par CL : Calcique Lime, chaux éteinte... C'est de l'hydroxyde de calcium (Le calcium est un élément chimique, de symbole Ca et de numéro atomique 20.) Ca(OH)₂.

L'emploi de la chaux est attesté dès l'âge du Bronze (Le bronze est le nom générique des alliages de cuivre et d'étain. Le terme airain...) (environ 2000 ans avant l'ère chrétienne) sur certains sites archéologiques suisses. Des blocs de calcaire calcinés constituent ainsi le noyau interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) des murailles de certaines places fortifiées. La chaux aérienne sert quant à elle, pour ses propriétés, depuis l'antiquité pour réaliser des mortiers pour la construction, des enduits et des badigeons sur les murs. Elle est aussi utilisée pour protéger les arbres fruitiers, ou lutter contre la putréfaction des cadavres en cas d'épidémie.

Le cycle de la chaux aérienne

Calcination

Par calcination du calcaire aux environ de 900 °C (CaCO₃) on obtient de la chaux vive (Oxyde de Calcium : CaO) et un fort dégagement de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) carbonique (CO₂):

La réaction s'accompagne d'une perte de poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...) d'environ 45 %, correspondant à la perte en gaz carbonique selon la formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits...) chimique suivante :

CaCO₃ ==> CaO + CO₂

Extinction

La transformation de chaux vive en chaux éteinte, s'effectue par ajout d'eau (H₂O). Cette opération d'extinction produit l'hydroxyde de calcium Ca(OH)₂ avec un fort dégagement de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...):

CaO + H₂O ==> Ca(OH)₂ + 1155 Kj/Kg CaO

Après transformation, l'augmentation du volume est de près de 30%.

L'extinction peut être réalisée de différentes manières :

• arrosage superficiel des blocs de chaux vive, puis terminaison de la réaction à l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...),
• immersion des blocs de chaux vive dans un grand volume d'eau puis terminaison de la réaction à l'air,
• mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) eau-chaux dans un malaxeur avec contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) de la réaction exothermique (dans l'industrie).
• immersion des blocs de chaux vive dans un grand volume d'eau puis terminaison de la réaction dans l'eau.

Dans les trois premiers cas on obtient une chaux en poudre (fleur de chaux, chaux grasse, CAEB, chaux éteinte...), dans le dernier cas la chaux éteinte produite prend l'apparence d'une pâte (chaux en pâte) que l'on pourra garder tant que l'on maintient en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de l'eau limitant les échanges de gaz carbonique (donc de carbonatation)

La chaux en poudre correspond bien aux pratiques actuelles du bâtiment (dosage en volume, mélange à la bétonnière...)

La chaux en pâte permet l'obtention de mortier plus "gras", moins sujet à la désication rapide, des enduits ou des badigeons carbonatant plus vite et mieux donc plus résistant. Par contre, son dosage (En chimie analytique, le dosage est l'action qui consiste à déterminer la quantité...) est plus difficile, le mélange avec le sable (Le sable, ou arène, est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites...) plus délicat sauf à utiliser l'outillage adapté (malaxeur planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire...), rabot…). La meilleure carbonatation de la chaux en pâte à probablement comme origine le fait que l'extinction se faisant à l'abri de l'air, aucune carbonatation partiel (Le mot partiel peut être employé comme :) anticipant la prise ne se produit. Par ailleurs, la finesse de la chaux obtenue, la présence de gels colloïdaux sont autant d'éléments qu'il faudrait étudier.

Carbonatation de la chaux aérienne

La prise de la chaux aérienne s'effectue par carbonatation, c’est-à-dire en absorbant le gaz carbonique (CO₂) présent dans l'atmosphère : d'où son nom de " chaux aérienne " :

Ca(OH)₂ + CO₂ ==> CaCO₃ + H₂O

Selon l'humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance...) du millieu, cette réaction se produit sur plusieurs mois : la vapeur () d'eau se lie avec le gaz carbonique atmosphérique pour former l'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions...) carbonique; la chaux fixe le gaz carbonique contenu dans cet acide et se transforme en calcaire. le résultat de cette opération est à nouveau du calcaire (CaCO₃).

Le mécanisme de prise par carbonatation s'effectue en présence d'eau, d'où une maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de...) indispensable des conditions de mise en œuvre (humidification des supports, contrôle des conditions climatiques...).

Utilisation de la chaux

Les usages de la chaux aérienne sont nombreux. En France, son usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) se répartit ainsi :

• Sidérurgie : environ 40 %,
• Travaux publics, routes : environ 13 %,
• Agriculture : environ 10 %,
• Traitement des eaux : environ 10 %,
• Construction, bâtiment : environ 3 %
• Absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) du gaz carbonique : appareils d'anesthésie (Le mot anesthésie provient du grec (αισθησις:...) et respiratoires de secours.

Utilisation dans l'agriculture

Pour l'agriculture on utilise de la chaux magnésienne, ou dolomitique, qui amende les sols acides en apportant du magnésium (Le magnésium est un élément chimique, de symbole Mg et de numéro atomique 12.). On utilise, le plus souvent, de la chaux calcique. Les chaux utilisées par l'agriculture sont toujours sous forme d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins...) de calcium, ou d'oxyde de calcium combiné à l'oxyde de magnésium (L'oxyde de magnésium, communément appelé magnésie, a pour formule MgO et se...). Cet amendement est à utiliser modérément sur les sols argileux. Le rôle de l'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais,...) calcium dans le complexe argilo-humique est déjà tenu par le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...).

En plus d'être un amendement calcique et magnésien, le chaulage permet également la destruction des micro-organismes pathogènes contenus par les effluents d'élevage qui sont acides par nature. La base OH- associée au calcium qui arrive soudainement dans le milieu provoque une augmentation rapide du pH. Ainsi ces organismes sont détruits.

Le plus souvent, l'agriculture utilise aussi du calcaire non cuit pour amender les terrains. C'est du carbonate de calcium, vulgairement appellé "carbonate de chaux". Le mode d'action est plus lent que celui de la chaux calcinée. Cela provient du fait que l'acidité du terrain doit dégrader le produit avant que celui-ci ne devienne un oxyde et puisse développer la base associée recherchée. Il ne peut garantir une bonne efficacité agronomique que s'il est suffisamment fin pour se solubiliser correctement. L'avantage a l'utilisation de carbonate de calcium est avant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) d'ordre économique, car il coute moins cher à l'utilisateur. Dans l'absolu, son pouvoir neutralisant est, à quantité égale, très inférieur a celui de la chaux vive.

Utilisation dans l'industrie, dans le traitement des eaux

La chaux aérienne est largement utilisée dans l'industrie, le plus souvent sous forme de chaux vive, on utilise sa capacité d'agglomération (Une agglomération est un ensemble urbain qui repose sur la continuité du bâti....) de certains matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) on parle de " floculation ". En sidérurgie (Le terme sidérurgie (du grec sideros, fer) désigne à la fois les techniques...), l'ajout de chaux dans le métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) en fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) permet l'extraction de certaines impuretés. Dans le traitement des eaux usées, on stabilise les boues.

Utilisation dans les travaux publics

La chaux aérienne est également utilisée dans la réalisation des routes ou des chemins, le plus souvent sous forme de chaux vive. Comme dans l'industrie, on utilise sa propriété de " floculation ", il s'agit ici de transformer l'argile (L'argile (nom féminin) est une roche sédimentaire, composée pour une large part de...) (consistance plastique, souple, instable) en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) grumeleuse plus résistante à la compression des sols. Cette propriété est également utilisée dans le monde (Le mot monde peut désigner :) agricole.

Utilisation comme absorbeur de gaz carbonique

Les propriétés d'absorption du gaz carbonique (dioxyde de carbone) par la chaux ont été utilisées dans les appareils respiratoires dits "en circuit fermé" pour épurer le gaz expiré du gaz carbonique et permettre sa réinhalation après un éventuel apport d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) à très faible débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers...). Ces techniques sont utilisées en médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la...) (anesthésie en circuit fermé), dans des appareils respiratoires utilisés en milieux de gaz dangereux. Les activités sous-marines (plongée et sous-marins) utilisent également la chaux comme absorbeur de gaz carbonique. La chaux hydratée est mélangée à d'autres composés chimiques comme la soude (NaOH) pour former la chaux sodée ou avec d'autres composés qui accélèrent la vitesse (On distingue :) de réaction de la chaux. La présentation en grains poreux de quelques millimètres dans des récipients adaptés au passage des gaz augmente la surface d'échanges et permet l'absorption avec de faibles volumes ce chaux facilement transportables.

La chaux hydraulique

La chaux hydraulique est obtenue à partir de calcaire contenant des silicates, aluminates, des composés de magnésium. La chaux hydraulique la plus courante provient de la calcination de calcaire mêlé d'argile. Elle fait prise, en quelques heures (L'heure est une unité de mesure  :), au contact de l'eau, d'où son appellation.

Carbonatation de la chaux hydraulique

Le calcaire naturel est le plus souvent mélangés à des marnes et des argiles riches en éléments chimiques principalement la silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la...) et aussi le fer, l'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....). Aux températures de cuisson (800 et 1 500 ° C), le calcium se combine avec ces éléments pour former des silicates, des aluminates et des ferro-aluminates de calcium.

Au contact de l'eau, lors de l'extinction de la chaux vive, et surtout pendant la mise en oeuvre des mortiers, ces molécules forment des hydrates insolubles. Les proportions d'alumine (L’alumine ou oxyde d’aluminium, de formule chimique Al2O3, est un composé...) et de fer sont très faibles : dans les liants blancs, les teneurs en fer sont inférieures à 0,1 ou 0,2%. La prise hydraulique est essentiellement due à la réaction entre le CaO et les silicates.

C'est après la mise en oeuvre que la chaux et les hydrates vont se carbonater au contact de l'air humide pour redonner le carbonate de calcium et la silice d'origine. C'est la partie aérienne de la prise.

Le rapport entre différents composants associés à l'argile et la part en chaux définit l'indice d'hydraulicité.

Précautions

En cas de mélange de grandes quantités de chaux vive et d'eau, la chaleur dégagée est telle que l'eau peut se mettre à bouillir et projeter de la chaux, qui est corrosive. Il est de ce fait conseillé d'utiliser des lunettes et des gants lors de la manipulation.
Il est recommandé de verser progressivement la poudre dans l'eau et non pas l'inverse.
Il est également recommandé de brasser le mélange eau/chaux vive tout au long de sa préparation, ceci afin de limiter les risques de projection.