Dioxyde de carbone - Définition

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Gaz carbonique
représentation 3D du dioxyde de carbone
Général
Formule brute CO2
Nom IUPAC Dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un...)
Numéro CAS 124-38-9
Code ATC
Apparence Gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) incolore
Propriétés physiques
Masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) moléculaire 44,01 g.mol − 1
Température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...)
de fusion
−78,5 °C (195 K)
Température
de vaporisation
−57 °C (216 K), pressurisé
Solubilité 1,45 kg.m − 3
Densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) 1,87 kg.m − 3 (gaz à 298K 1,013 bar)
PLUS dense que l'air
Viscosité (La viscosité (du latin viscum, gui) peut être définie comme la résistance...) 0.07 cP à −78 °C
Thermochimie (La thermochimie est une partie de la chimie qui étudie les phénomènes thermiques qui...)
ΔfH0gas -393,5 kJ.mol − 1
ΔfH0liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...)
ΔfH0solide
Unités du SI & CNTP,
sauf indication contraire.

Le dioxyde de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) (appelé parfois, de façon impropre " gaz carbonique ") est un composé chimique composé d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) de carbone et de deux atomes d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) et dont la formule brute est : CO2.

Cette molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) linéaire a pour formule développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) de Lewis : O=C=O.

Dans les conditions normales de température et de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) le dioxyde de carbone est un gaz incolore, inodore et à la saveur piquante communément appelée gaz carbonique ou encore anhydride carbonique.

Il est présent dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) dans une proportion approximativement égale à 0,0375 % en volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...), dans cette décennie (Une décennie est égale à dix ans. Le terme dérive des mots latins de decem « dix »...) (années 2000), soit 375 ppmv (parties par million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) en volume). Mais elle augmente rapidement, d'environ 2 ppmv/an, de par les activités humaines de consommation des combustibles fossiles : charbon, pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de...), gaz.

C'est un gaz à effet de serre (L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie...).

Il est produit notamment lors de la fermentation (La fermentation est une réaction biochimique de conversion de l'énergie chimique contenue...) aérobie (Aérobie désigne la capacité d'un organisme ou micro-organisme de se développer dans l'air...) ou de la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...) de composés organiques, et lors de la respiration (Dans le langage courant, la respiration désigne à la fois les échanges gazeux (rejet...) des êtres vivants et des végétaux. Pour ces derniers, la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et...) piège beaucoup plus de CO2 que sa respiration n'en produit.

Caractéristiques physiques

Formule chimique CO2
Masse moléculaire 44.01 g.mol − 1
Température critique 31,1°C
Pression critique 7,4 MPa
Point (Graphie) triple -56,6°C à 416 kPa
Chaleur latente (L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, correspond à la quantité de chaleur...) de vaporisation (0°C) 234,5 kJ.kg − 1
Chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) latente de vaporisation (-16.7°C) 276,8 kJ.kg − 1
Chaleur latente de vaporisation (-28.9°C) 301.7 kJ.kg − 1
Chaleur latente de fusion (à -56,6°C) 199 kJ.kg − 1

Le CO2 dissous dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) forme avec elle de l'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions...) carbonique (H2CO3). Il est plus soluble dans l'eau froide que chaude. L'acide carbonique n'est que modérément stable et il se décompose facilement en H2O et CO2. En revanche, lorsque le dioxyde de carbone se dissout dans une solution aqueuse basique (soude, potasse...), la base déprotone l'acide carbonique pour former un hydrogénocarbonate (HCO3), aussi appelé bicarbonate, puis un carbonate (CO32–). Dans ce cas, la solubilité est énormément augmentée. Par exemple, une solution aqueuse saturée de carbonate de potassium (Le potassium est un élément chimique, de symbole K (latin : kalium, de...) (K2CO3) a une concentration de 112% (en masse) en carbonate à 20°C.

Histoire

Le dioxyde de carbone fut découvert vers 1638 par un médecin (Un médecin est un professionnel de la santé titulaire d'un diplôme de docteur en...) belge du nom de Jan Baptist van Helmont qui lui donna le nom d'anhydride carbonique.

Les propriétés du dioxyde de carbone furent étudiées plus à fond en 1750 par le chimiste (Un chimiste est un scientifique qui étudie la chimie, c'est-à-dire la science de la...) et physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) britannique, Joseph Black. Vers 1754, il appela ce gaz air fixe, mettant à mal la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) du phlogiston encore enseignée à cette époque.

Le gaz carbonique fut par la suite isolé par le pasteur anglais Joseph Priestley (Joseph Priestley (13 mars 1733 à Birstall, West Yorkshire –...) en 1766.

En 1776, le chimiste français Antoine-Laurent De Lavoisier mit en évidence que ce gaz est le produit de la combustion du carbone avec le dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2,...). Dès 1875 se répandirent les premières boissons artificiellement gazeuses grâce à l'invention des récipients pressurisés.

Utilisations

Forme gazeuse

Sous forme gazeuse, il est utilisé pour :

  • carbonater des boissons (soda ou eau),
  • créer une couche isolante (flux) dans l'industrie alimentaire ou pour la soudure,
  • stimuler la croissance des plantes.

Forme liquide

Sous forme liquide, il est utilisé comme :

  • refrigérant pour congeler certains aliments,
  • réfrigérant dans l'industrie électronique,
  • agent d'extinction (D'une manière générale, le mot extinction désigne une action consistant à éteindre quelque...) dans les extincteurs dits " au dioxyde de carbone ", on parle parfois de neige (La neige est une forme de précipitation, constituée de glace cristallisée et...) carbonique parce que le CO2 liquide se solidifie immédiatement à la sortie de l'extincteur (Un extincteur est un appareil de lutte contre l'incendie capable de projeter ou de répandre...) en produisant une poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent...) blanche,
  • agent propulseur (et parfois également carbonatant) pour les boissons servies à la pression.

À NOTER : à pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression qu'exerce le mélange gazeux constituant...), le dioxyde de carbone n'est jamais sous forme liquide. Il passe directement de la forme solide à la forme gazeuse (sublimation).

Forme solide

Le dioxyde de carbone sous forme solide ou glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) carbonique appelée aussi Carboglace ou glace sèche est issue du CO2 liquide sous forme de neige carbonique qui est ensuite compactée pour devenir glace carbonique.

Cette glace carbonique se sublime en ne laissant aucun résidu et produit très rapidement une grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) (150 fr/h/kg à -78,5 °C), l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo...) lui a donc rapidement trouvé de multiples utilisations.

  • sous forme de " Pellets " (de la taille d'un grain (En météorologie maritime: Un grain est un vent violent et de peu de durée qui s'élève...) de riz (Le riz est une céréale de la famille des Poacées ou Graminées, cultivée...) 3 mm de diametre) : essentiellement pour le nettoyage et le décapage cryogénique.
  • en " Sticks " (batonet de 16 mm) : pour la conservation, le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) des produits sous température dirigée ( produits pharmaceutique, transport de surgelés, transport d'échantillons etc. ).
    • pour la recherche fondamentale (La recherche fondamentale regroupe les travaux de recherche scientifique n'ayant pas de finalité...) ou appliquée.
    • pour la vinification : ralentit la fermentation et évite l'oxydation.
  • en " Plaquette " ou en " blocs " :
    • pour le ravitaillement aérien (catering) , les traiteurs, les pompes funèbres etc.
  • en "pains"
    • pour faire de la fumée (La fumée, parfois appelée boucane en Amérique du Nord, est un nuage de particules...) épaisse (effets spéciaux, cinéma (On nomme cinéma une projection visuelle en mouvement, le plus souvent sonorisée. Le terme...), vidéo).

Phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) Supercritique

Au delà de son point critique, le dioxyde de carbone entre dans une phase appelée "supercritique". La courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) d'équilibre liquide gaz est interrompue au niveau du point critique, assurant à la phase supercritique un continuum des propriétés physico-chimiques sans changement de phase. C'est une phase aussi dense qu'un liquide mais assurant des propriétés de transport (viscosité, diffusion) proche d'un gaz. Le dioxyde de carbone supercritique est utilisée comme solvant (Un solvant (également nommé en suisse romande thinner pour les solvants puissant) est un...) "vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde...)", les extraits étant exempt de trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le...) de solvant.

  • décaféination du café
  • traitement du goût (Pour la faculté de juger les belles choses, voir Goût (esthétique)) du bouchon dans les bouchons de lièges
  • mise en forme de principes actifs micronisés et sous forme nanométrique
  • extraction de composés chimiques ou biologiques
  • purification de composés chimiques (phase mobile en chromatographie (La chromatographie est une technique de séparation de la chimie analytique pouvant être...), notamment en HPLC)
  • pour le transport et le stockage lors de la séquestration géologique du dioxyde de carbone (dans de rares applications industrielles).

Réactivité

L'électronégativité des atomes d'oxygène rend le carbone central très électrophile. De très nombreux nucléophiles peuvent donc réagir avec le dioxyde de carbone mais il faut noter que le produit de la réaction n'est pas forcément stable. En général, on place de la carboglace dans un récipient fermé muni d'un tuyau ; la carboglace se sublime et l'on fait buller le dioxyde de carbone gazeux dans le milieu réactionnel.

Quelques exemples de réaction :

  • Avec une amine : on appelle cette réaction une carbonatation. Le produit est un hydrogénocarbonate d'ammonium (L'ion ammonium (de formule NH4+) est un ion polyatomique de charge électrique positive (c'est...) (R3N + CO2 + H2O → R3NH+HCO3).
  • Avec un carbanion : on forme un acide carboxylique (Le terme acide carboxylique désigne une molécule comprenant un groupement carboxyle...) après hydrolyse.
  • Avec l'eau : voir l'introduction ci-dessus.
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