Prévenir et sécuriser (suite) : qualité de l'air, conservation des aliments et dépollution

Les notions à connaître

Fraction molaire et pourcentage molaire

La fraction molaire d'un constituant d'un mélange est le quotient de sa quantité de matière par la quantité de matière totale : $x_i = \dfrac{n_i}{n_{\text{totale}}}$ (sans unité, entre 0 et 1). Multipliée par 100, elle donne le pourcentage molaire. Pour un mélange de gaz, elle est égale à la fraction en volume. Exemple : dans 100 mol d'air sec, environ 21 mol sont du dioxygène : $x(\text{O}_2) \approx 0{,}21$, soit 21 %.

Composition de l'air et tests des gaz

Air sec, en pourcentages molaires : diazote ≈ 78 %, dioxygène ≈ 21 %, argon ≈ 0,9 %, dioxyde de carbone ≈ 0,04 % (environ 428 parties par million en octobre 2026). L'air contient aussi de la vapeur d'eau, en proportion variable. Tests : le dioxyde de carbone trouble l'eau de chaux ; l'eau fait passer le sulfate de cuivre anhydre du blanc au bleu ; le dioxygène rallume une bûchette incandescente. Exemple : l'air expiré trouble l'eau de chaux, l'air inspiré presque pas.

Loi du gaz parfait

Pour un gaz à faible pression, $P \times V = n \times R \times T$, avec $P$ en pascals (Pa), $V$ en mètres cubes $(m^{3}),$ $n$ en moles (mol), $T$ en kelvins (K) et $R = 8{,}314\ \text{J}\cdot\text{mol}^{-1}\text{}\cdot\text{K}^{-1}$. À température constante, le produit $P \times V$ d'une quantité donnée de gaz reste constant : un gaz détendu occupe un volume plus grand. Exemple : une bouteille de 5,0 L de dioxygène à 200 bar et 20 °C contient $n = \dfrac{200 \times 10^{5} \times 5{,}0 \times 10^{-3}}{8{,}314 \times 293} \approx 41\ \text{mol}$.

Monoxyde de carbone et hémoglobine

Le monoxyde de carbone $\text{CO}$ est un gaz incolore et inodore produit par une combustion incomplète (appareil de chauffage mal réglé, fumée de cigarette). Inhalé, il se fixe sur l'hémoglobine des globules rouges, au même site que le dioxygène, avec une affinité environ 200 à 250 fois plus grande : il forme la carboxyhémoglobine, très stable. Le sang transporte alors moins de dioxygène et les organes les plus exigeants (cerveau, cœur) en manquent : maux de tête, nausées, vertiges, puis perte de connaissance. Exemple : en cas d'intoxication, on aère, on évacue les lieux et on administre du dioxygène pur, qui déplace peu à peu le monoxyde de carbone.

Ozone, protecteur et dangereux

L'ozone a pour formule brute $\text{O}_3$. Dans la stratosphère (entre 15 et 35 km d'altitude environ), la couche d'ozone absorbe une grande partie du rayonnement ultraviolet (UV) solaire : elle protège la vie. Au niveau du sol, l'ozone est un polluant secondaire formé sous l'effet du soleil à partir d'oxydes d'azote et de composés organiques volatils : oxydant puissant, il irrite les yeux et les voies respiratoires. Exemple : en France, le seuil d'information du public est de 180 µ$g/m^{3} d'$ozone en moyenne horaire, le seuil d'alerte de 240 µ$g/m^{3} ($Code de l'environnement, article R221-1).

Gaz à effet de serre (GES)

Gaz qui absorbe le rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre et en renvoie une partie vers elle, ce qui réchauffe la basse atmosphère. Principaux gaz à effet de serre : vapeur d'eau, dioxyde de carbone (combustion du charbon, du pétrole et du gaz, déforestation), méthane $\text{CH}_4$ (élevage de ruminants, rizières, décharges, fuites de gaz), protoxyde d'azote $\text{N}_2\text{O}$ (engrais azotés). Exemple : à masse égale et sur 100 ans, le méthane réchauffe environ 30 fois plus que le dioxyde de carbone et le protoxyde d'azote environ 270 fois plus (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat, 2021) ; le dioxyde de carbone reste le premier responsable par les quantités émises.

Dégradation des aliments

Les aliments se dégradent par oxydation (le dioxygène de l'air réagit avec certaines molécules), par hydrolyse (l'eau coupe les liaisons ester des triglycérides et libère des acides gras) et sous l'action de micro-organismes. La chaleur, la lumière, le dioxygène et l'humidité accélèrent ces transformations. Exemples : brunissement d'une pomme coupée (une enzyme, la polyphénol oxydase, catalyse l'oxydation des polyphénols du fruit par le dioxygène en pigments bruns) ; rancissement du beurre (hydrolyse et oxydation des matières grasses) ; caillage du lait (des bactéries transforment le lactose en acide lactique, qui fait coaguler les protéines du lait).

Conservation : procédé physique ou chimique

Un procédé physique agit sur les conditions sans rien ajouter à l'aliment : froid (réfrigération, congélation à -18 °C) qui ralentit les micro-organismes et les réactions ; chaleur (pasteurisation, stérilisation) qui détruit les micro-organismes ; retrait de l'eau (séchage, lyophilisation) ; emballage sous vide ou sous atmosphère contrôlée, sans dioxygène. Un procédé chimique ajoute une substance : conservateurs (codes E200 à E299), antioxydants (E300 à E399), sel, sucre, vinaigre. Exemple : un jus de pomme additionné d'acide ascorbique (vitamine C, E300) brunit moins vite, car l'antioxydant est oxydé à la place des polyphénols.

Les erreurs à éviter en chimie, biologie et physiopathologie humaines

• ✗ Appliquer $P \times V = n \times R \times T$ avec des litres, des bars et des degrés Celsius.

  ✓ Convertir d'abord : 1 bar = 10^{5} Pa$, 1 L = 10^{-3} m^{3}, T(K) = \theta ($°C) + 273,15.

• ✗ Croire que l'ozone est toujours bénéfique, ou toujours nocif.

  ✓ Il protège quand il est en altitude (couche d'ozone) ; il est nocif quand on le respire, au niveau du sol.

• ✗ Penser que le monoxyde de carbone se repère à l'odeur.

  ✓ Il est incolore et inodore : seul un détecteur le repère. D'où les intoxications pendant le sommeil.

• ✗ Confondre adsorption et absorption.

  ✓ L'adsorption fixe les molécules à la SURFACE du solide (charbon actif) ; l'absorption les fait pénétrer dans tout le volume.

Sais-tu répondre à ces questions ?

Les corrigés détaillés sont dans le quiz du chapitre.

1. Quel est le pourcentage molaire approximatif du dioxygène dans l'air sec ?
2. Quelle est la formule brute de la molécule d'ozone ?
3. Dans la loi du gaz parfait $P \times V = n \times R \times T$, en quelle unité exprime-t-on le volume ?
4. Pourquoi le monoxyde de carbone est-il toxique ?
5. L'ozone présent au niveau du sol est…