L'hydrog�ne (Z = 1)

Bien que ce soit l'�l�ment chimique le plus l�ger (son noyau contient un seul proton, autour duquel tourne un unique �lectron), c'est �galement le plus abondant, puisqu'il s'agit du principal constituant des n�buleuses et des �toiles : dans l'univers, pr�s de 92 % des atomes sont des atomes d'hydrog�ne (ce qui repr�sente 74 % de la masse totale) !

N�buleuse Om�ga
Cr�dit : Two Micron All Sky Survey

Sur Terre, on le trouve principalement dans la mol�cule d'eau (H₂O), mais il y en a �galement dans les hydrocarburesLes hydrocrabures sont des compos�s organiques constitu�s uniquement d'atomes de carbone et d'hydrog�ne. (m�thane, butane...), ainsi que dans une multitude de compos�s organiques. Lorsqu'il est � l'�tat gazeux, il se pr�sente sous la forme de mol�cules de dihydrog�ne ayant pour formule H₂. Toutefois, on peut �galement le trouver sous forme monoatomique (H), notamment dans le gaz interstellaire et intergalactique, l� o� r�gnent des conditions de pression et de temp�rature extr�mement basses.

Origine de l'hydrog�ne

Selon les th�ories actuelles, il y a pr�s de 13,7 milliards d'ann�es, eut lieu un �v�nement cataclysmique auquel on donne le nom de Big Bang. Pour ce que l'on en sait, pendant les 380 000 premi�res ann�es (� quelques jours pr�s) cons�cutives � cet �v�nement, la mati�re se pr�sentait alors essentiellement sous la forme d'un plasma (gaz ionis�) extr�mement chaud, constitu� d'un m�lange de noyaux d'atomes d'hydrog�ne (protons) et d'h�lium (particules alpha), ainsi que d'�lectrons. Toutefois, l'Univers �tant en expansion rapide, cela entra�na une baisse rapide de la densit� de mati�re et de la temp�rature. Lorsque cette derni�re descendit en dessous de 3000 kelvins, les �lectrons, moins agit�s, s'associ�rent aux noyaux pour donner les tout premiers atomes stables d'hydrog�ne et d'h�lium (ainsi qu'un peu de lithium). Les autres atomes, plus complexes, n'apparurent que quelques centaines de millions d'ann�es plus tard, au coeur des premi�res �toiles. Celles-ci sont en effet de v�ritables r�acteurs nucl�aires, qui passent la majeure partie de leur existence � r�aliser la fusion de l'hydrog�ne en h�lium (elles appartiennent alors � la s�quence principale), avant de passer � la fusion de l'h�lium en carbone et en oxyg�ne... C'est ainsi que lentement (tr�s lentement), mais s�rement, l'univers s'appauvrit en hydrog�ne et s'enrichit en �l�ments plus lourds.

Un peu d'histoire

En 1766, le savant britanique Henry Cavendish (1731-1810) reprend une exp�rience r�alis�e au XVI� si�cle par le m�decin suisse Paracelse (1493-1541). Ce dernier avait constat� qu'en faisant agir de l'acide sulfurique sur du fer, il obtenait un gaz inflammable de nature inconnue. En faisant agir des acides sur diff�rents m�taux, Cavendish parvient � isoler ce gaz combustible, qu'il appelle "air inflammable". En 1783, celui-ci est rebaptis� hydrog�ne par le chimiste fran�ais Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794). Ce nom, forg� � partir des racines grecques "hud�r" (eau) et "gennen" (engendrer), signifie donc "qui engendre l'eau" : en effet, si l'on br�le de l'hydrog�ne dans de l'oxyg�ne, on obtient... de l'eau !.

Comme il s'agit du gaz le plus l�ger (il est 14 fois moins dense que l'air), le dihydrog�ne a tr�s vite �t� employ� pour gonfler des ballons : le 27 ao�t 1783, celui con�u par le physicien Jacques Charles (1746-1823) s'�l�ve dans les airs, dans l'est du Val d'Oise. Quelques mois plus tard, le 1^er d�cembre 1783, un autre ballon � hydrog�ne (ou "charli�re") d�colle depuis les Tuileries, emportant � son bord ce m�me Jacques Charles accompagn� de l'ing�nieur Nicolas-Louis Robert.

Charli�re — Premier vol � bord d'une charli�re,
accompli le 1^er d�cembre 1783.
Dessin d'Antoine Louis Fran�ois Sergent

Quelques d�cennies plus tard, les premiers dirigeables (gros ballons propuls�s par des h�lices), seront eux aussi gonfl�s � l'hydrog�ne, ce qui n'ira pas sans poser quelques probl�mes car, en plus d'�tre un excellent combustible (et donc potentiellement explosif), ce gaz est particuli�rement sujet aux fuites (il diffuse tr�s facilement � travers les parois poreuses). C'est ainsi que le 6 mai 1937, un gros dirigeable allemand de type zeppelin, l'Hindenburg, long de 245 m�tres et contenant pr�s de 200 000 m³ de dihydrog�ne, en fera l'am�re exp�rience. Alors qu'il arrive � Lakehurst (dans le New Jersey, au sud de l'�tat de New York) apr�s avoir effectu� sa trente-septi�me travers�e de l'Atlantique, il s'enflamme subitement !, entra�nant la mort de 35 passagers (sur un total de 94) qui se jetterons dans le vide afin d'�chapper aux flammes. Le plus navrant dans tout cela, c'est que l'Hindenburg aurait d� �tre gonfl� � l'h�lium, gaz non inflammable, mais les Etats-Unis, principaux producteurs de ce gaz (c'�tait vrai � l'�poque, �a l'est encore aujourd'hui), imposaient alors un embargo interdisant d'exporter de l'h�lium vers l'Allemagne nazie, qui n'eut d'autre alternative que l'emploi de dihydrog�ne pour gonfler ses dirigeables.

La catastrophe du Hindenburg, en 1937
Cr�dit : Murray Becker

Outre le ballon de Jacques Charles, l'hydrog�ne va rapidement trouver d'autres applications. En 1804, l'artilleur (et homme politique) suisse Isaac de Rivaz met au point ce qui est sans doute le tout premier moteur � combustion interne, et cela un demi-si�cle avant que Beau de Rochas n'imagine le principe du moteur � quatre temps. S'inspirant du "pistolet de Volta", dans lequel l'explosion d'un m�lange gazeux est d�clanch�e par une �tincelle, le moteur de Rivaz est aliment� par un m�lange de sulfure d'hydrog�ne et d'oxyg�ne, dont l'explosion met en mouvement un piston dans un cylindre. En 1806, il adapte son moteur � un petit v�hicule de d�monstration, la "charrette de Rivaz".

La charette de Rivaz — La charrette de Rivaz, dont le moteur est
aliment� par de l'hydrog�ne gazeux

En 1784, l'inventeur Jan Pieter Minckelers d�couvre le gaz d'�clairage, qu'il obtient en distillant de la houille. Constitu� principalement d'un m�lange de monoxyde de carbone et de dihydrog�ne, il en sera fait usage � grande �chelle d�s le d�but du XIX^� si�cle, sous l'impulsion du fran�ais Philippe Lebon et de l'anglais William Murdoch. Fabriqu� dans des usines pr�sentant un aspect complexe, les fameuses "usines � gaz" (l'expression vient de l�), il concourera � l'�clairage nocturne des grandes villes europ�ennes, contribuant � am�liorer de fa�on notable la s�curit� des citoyens.

Caricature de l'�clairage au gaz dans une rue de Londres,
par George Rowlandson (1809).

Propri�t�s de l'hydrog�ne

Le dihydrog�ne est le gaz le plus l�ger : 0,09 g/L dans les CNTPLes CNTP ou conditions normales de temp�rature et de pression sont consid�r�es de fa�on arbitraire comme �tant les conditions d'exp�rimentation et de mesure en laboratoire, d�finies par une temp�rature de 0�C (273,15 K) et une pression de 1 atmosph�re (soit 101 325 Pa ou 1,013 bars).. M�me lorsqu'il passe � l'�tat liquide (� -253�C, sous une pression de 1 bar), sa masse volumique reste tr�s faible : 71 kg/m³.
L'hydrog�ne est un v�ritable concentr� d'�nergie puisqu'� masse �gale, sa combustion lib�re trois fois plus d'�nergie que l'essence. Malheureusement, m�me sous forme liquide , sa faible masse volumique fait qu'il occupe un volume important : � quantit� d'�nergie lib�r�e �gale, il prend quatre fois plus de place que le p�trole.

Dans les solutions aqueuses, l'hydrog�ne peut donner des ions H⁺, responsables de leur caract�re acide. Le pH, nombre qui caract�rise l'�tat acide ou basique d'une solution, est en effet directement li� � la concentration en ions hydrog�ne : plus le pH d'une solution est faible, plus cette derni�re est acide et plus elle contient d'ions H⁺.
Les solutions acides sont omnipr�sentes dans la nature. Ainsi, la plupart des fruits donnent des jus acides. Notre estomac lui-m�me contient de l'acide chlorhydrique, responsable des br�lures d'estomac et autres remont�es acides cons�cutives aux repas trop gras et aux exc�s d'alcool. L'acide chlorhydrique est en effet l'un des principaux constituants des sucs gastriques, d�couverte faite en 1823 par un certain William Prout (cela ne s'invente pas !), chimiste et m�decin anglais auquel on doit �galement la classification des aliments en lipides, glucides et prot�ines.
Plus surprenant, il existe sur Terre des lacs acides, l'un des plus connus (et des plus acides) �tant le lac qui s'est form� dans le crat�re du volcan Kawah Ijen (dont le nom signifie "crat�re vert"), situ� sur l'�le de Java, en Indon�sie !. Le pH de son eau �tant proche de z�ro, cette derni�re est donc nettement plus acide que du vinaigre ou du jus de citron (dont le pH est proche de 2,4) !

Production industrielle de l'hydrog�ne

Annuellement, ce sont pr�s de 75 millions de tonnes d'hydrog�ne qui sont produites au niveau mondial, principalement � partir de gaz naturel et de p�trole. Seule une petite partie de cette production provient de l'�lectrolyse de l'eau, le proc�d� �tant nettement plus co�teux. Plusieurs m�thodes sont employ�es, que nous allons d�crire succintement.

- Le vaporeformage consiste � d�composer des mol�cules d'hydrocarbures l�gers (g�n�ralement du m�thane), sous l'action de la vapeur d'eau � haute temp�rature (environ 900�C), sous une pression de 20 � 30 bars, en pr�sence de nickel (qui joue le r�le de catalyseur). Avec le m�thane, la r�action est la suivante :

CH₄ + H₂O ---> 4 H₂ + CO₂

Cette m�thode assure � elle seule 48% de la production totale d'hydrog�ne.

- L'oxydation partielle couvre environ 30% des besoins en hydrog�ne. Celui-ci est obtenu en faisant r�agir du dioxyg�ne avec des hydrocarbures l�gers, � haute temp�rature (de 1 200 � 1 500�C) et sous forte pression (entre 20 et 90 bars). Toujours avec le m�thane, la r�action est la suivante :

2CH₄ + O₂ ---> 4 H₂ + 2CO

- La gaz�ification du charbon, qui assure environ 18% de la production d'hydrog�ne, consiste � produire un m�lange de gaz (monoxyde de carbone, dihydrog�ne, dioxyde de carbone et m�thane) � partir de charbon, d'oxyg�ne et de vapeur d'eau (c'est un peu long � expliquer, alors je passe mon tour).

- L'�lectrolyse de l'eau ne couvre que 4% de nos besoins. R�alis�e pour la premi�re fois le 2 mai 1800 par les chimistes britanniques William Nicholson et Sir Anthony Carlisle, cette technique consiste � d�composer l'eau en dioxyg�ne et dihydrog�ne gazeux gr�ce � un courant �lectrique. Bien que beaucoup plus co�teuse � mettre en oeuvre, elle pr�sente toutefois l'avantage de ne pas �mettre de CO₂, � condition toutefois d'utiliser une �lectricit� d�carbon�e (donc d'origine renouvelable ou nucl�aire) : l'hydrog�ne ainsi produit est appel� hydrog�ne vert.

Quelques exemples d'utilisation de l'hydrog�ne

- La majeure partie de l'hydrog�ne produit sert � la synth�se de l'ammoniac (NH₃), selon un proc�d� mis au point en 1909 par le chimiste allemand Fritz Haber. L'ammoniac s'av�re en effet indispensable � la fabrication des engrais azot�s (et de certains explosifs).

- L'hydrog�ne gazeux intervient dans le rafinage du p�trole dont il permet la d�sulfuration, afin de limiter les rejets d'oxydes de soufre, en partie responsables des pluies acides.

L'avion X-15 — Le r�acteur du X-15 fonctionnait � l'ammoniac
Cr�dit : U.S. Air Force

- L'hydrog�ne intervient �galement dans la production du m�thanol (CH₃-OH), alcool employ� dans la synth�se de certaines mati�res plastiques, de r�sines synth�tiques, de peintures, d'explosifs... Impropre � la consommation (il est hautement toxique), le m�thanol est �galement utilis� comme antigel et comme carburant pour v�hicules dans certains pays (Chine, Br�sil).

- Favorisant la solidification des huiles v�g�tales, l'hydrog�ne intervient dans l'�laboration des margarines.

- La pile � hydrog�ne (ou pile � combustible), dont le principe a �t� d�couvert en 1839 par le chimiste allemand Christian Sch�nbein (1799-1868), permet de produire de l'�lectricit� gr�ce � l'oxydation de mol�cules de dihydrog�ne. Au niveau de l'anode, ces derni�res sont d�compos�es en ions H⁺ (avec lib�ration d'�lectrons), qui migrent ensuite vers la cathode (via un �lectrolyte) o� ils se recombinent avec des ions oxyg�ne (O^2-), ce qui donne des mol�cules d'eau. L'�lectricit� produite par la pile � hydrog�ne peut �tre utilis�e pour alimenter des v�hicules �lectriques (voitures, bus), des chariots �l�vateurs...

Le principal inconv�nient de la pile � combustible est son co�t, qui reste tr�s �lev�. En revanche, elle pr�sente de nombreux atouts : elle ne d�gage que de l'eau, offre un rendement sup�rieur � celui des moteurs thermiques, et s'av�re silencieuse. Qui plus est, en cas d'inflammation du r�servoir d'hydrog�ne, les cons�quences sont moindres qu'avec un r�servoir d'essence car la flamme d'hydrog�ne rayonne surtout dans l'ultraviolet (et non dans l'infrarouge comme l'essence), ce qui limite le risque de propagation de l'incendie.

- Lors de leur d�collage, certains lanceurs alimentent leurs moteurs avec de l'hydrog�ne liquide (maintenu en dessous de - 253�C) et de l'oxyg�ne liquide, qui sont inject�s dans une chambre de combustion o� ils br�lent en produisant de la vapeur d'eau � haute temp�rature (pr�s de 3000�C), �ject�e des tuy�res � tr�s grande vitesse. Les lanceurs Ariane 5 (� l'instar de la d�funte navette spatiale am�ricaine) utilisent ce type d'ergolsEn a�ronautique, les ergols sont des substances chimiques (solides ou liquides) capables de fournir rapidement de grandes quantit�s d'�nergie lors de leur combustion..

D�collage de la navette spatiale am�ricaine — Navette Discovery lors de son lancement, en octobre 2007.
Les trois petites flammes dicr�tes visibles sous ses tuy�res
r�sultent de la combustion de l'hydrog�ne et de l'oxyg�ne.
Cr�dit : NASA

- L'hydrog�ne pourrait, dans un avenir plus ou moins proche, permettre de stocker de l'�nergie, et constituer ainsi une alternative aux batteries. En ce sens, il s'agit non pas d'une source, mais d'un vecteur d'�nergie, dans la mesure o� il faut d'abord produire le dihydrog�ne avant de le stocker, pour ensuite l'utiliser quand le besoin s'en fait ressentir (voir ici !).

- Le deut�rium, isotopeOn appelle isotopes des atomes ayant le m�me nombre de protons, mais qui diff�rent par leur nombre de neutrons. de l'hydrog�ne dont le noyau comporte un proton et un neutron, est employ� pour fabriquer l'eau lourde, qui joue le r�le de mod�rateur de neutrons dans certains r�acteurs nucl�aires, notamment ceux de type Candu, utilis�s au Canada.

- Et puisqu'il est question de nucl�aire, n'oublions pas de mentionner cette monstruosit� qu'est la bombe � hydrog�ne (ou bombe H). Nous pouvons voir sur l'image ci-dessous l'explosion de la bombe la plus puissante jamais test�e par les Etats-Unis, Castle Bravo, dont la puissance a �t� estim�e � 15 Mt (m�gatonnes), soit pr�s de mille fois celle de la bombe d'Hiroshima. Les Russes ont quant � eux fait encore "mieux" (si l'on peut dire) en 1961, avec la Tsar Bomba et ses 57 m�gatonnes (soit l'�quivalent de 57 millions de tonnes de TNT !).

Cette liste est, bien entendu, loin d'�tre exhaustive.

Le carbone (Z = 6)

Environ 0,06 % des atomes de l'univers sont des atomes de carbone. C'est tr�s peu dans l'absolu, pourtant le carbone occupe la 4^�me place en terme d'abondance, juste apr�s l'oxyg�ne (0,1 % des atomes), mais tr�s loin derri�re l'hydrog�ne (92 % des atomes) et l'h�lium (8 % des atomes). Le carbone naturel poss�de trois isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le m�me nombre de protons, mais qui diff�rent par leur nombre de neutrons. : le carbone 12 (not� ¹²C), stable, de tr�s loin le plus abondant (environ 99 % de tout le carbone), suivi du carbone 13 (¹³C), stable �galement mais beaucoup moins abondant (environ 1 %), et enfin le carbone 14 (¹⁴C), qui est radioactif et n'est pr�sent qu'en infimes quantit�s, � l'�tat de traces.
Le carbone m�rite une place � part. En effet, il forme � lui seul beaucoup plus de mol�cules (et de tr�s tr�s loin) que tous les autres �l�ments r�unis, �tant � l'origine d'un gigantesque domaine de la chimie appel�e chimie organique. Les mol�cules les plus complexes, en particulier celles dont sont constitu�s les �tres vivants, reposent enti�rement sur la chimie du carbone. Tel est le cas notamment des acides amin�s, qui interviennent dans la constitution des prot�ines, et de l'ADN, mol�cule g�ante qui contient notre code g�n�tique. Pour faire court : pas de carbone, pas de vie.
L'�tude du carbone n�cessite des milliers de livres � elle seule, aussi nous ne ferons qu'effleurer le sujet, et encore...

Origine du carbone

Le carbone se forme exclusivement au coeur des "vieilles" �toiles, lorsque celles-ci ont �puis� leurs stocks d'hydrog�ne et commencent � fusionner leur h�lium. Ces �toiles appartiennent � la famille des g�antes rouges et, pour �tre pr�cis, font partie de ce que l'on appelle le red clump (ou "grumeau rouge"). C'est le sort qui attend notre Soleil d'ici quelques milliards d'ann�es.

G�ante rouge Mira Ceti — La g�ante rouge Mira Ceti
Cr�dit : NASA

A ce stade, la temp�rature au sein des �toiles atteint all�grement une centaine de millions de degr�s, et il s'y produit un ensemble de r�actions appel� "r�action triple alpha", au cours desquelles trois noyaux d'h�lium (particules "alpha") fusionnent pour donner un noyau de carbone. Nous devons ce sc�nario, �labor� au d�but des ann�es 1950, � l'astrophysicien Edwin Salpeter (1924-2008). Au cours de ce processus, il se produit en r�alit� deux r�actions successives faisant intervenir un �l�ment interm�diaire, le b�ryllium 8.

Premi�re r�action : ⁴He + ⁴He ---> ⁸Be + rayons gammas

Seconde r�action : ⁴He + ⁸Be ---> ¹²C + rayons gammas

Seul probl�me, les noyaux de ⁸Be produits lors de la premi�re r�action sont tr�s instables et se d�sint�grent quasi-instantan�ment en redonnant deux atomes d'h�lium : ⁸Be ---> ⁴He + ⁴He.
La seconde r�action n'a donc th�oriquement aucune chance de se produire, et il ne devrait par cons�quent pas y avoir de carbone (et donc pas de vie) dans l'univers. Sauf que si... L'explication, nous la devons � l'astronome britanique Fred Hoyle (1915-2001) qui, en 1954, �mit l'hypoth�se selon laquelle il devait exister un �tat excit� du carbone 12 (qui se trouve alors port� � un niveau d'�nergie plus �lev� qu'il ne devrait), et que cet �tat augmentait consid�rablement la probabilt� que la seconde r�action ait effectivement lieu. Ceci sera confirm� ult�rieurement par l'astrophysicien am�ricain William Fowler (1911-1995). Nous revenons de loin...

Le terme "carbone" est issu du latin "carbo", qui signifie braise ou charbon. Sur Terre, il est pr�sent dans le sol sous forme de s�diments (charbon et p�trole), appel�s combustibles fossiles, mais �galement sous forme pure (graphite et diamant).

Le charbon (minerai)

Le charbon !, autrefois appel� charbon de terre (par opposition au charbon de bois), est connu depuis l'Antiquit� puisque l'on raconte que lors d'un voyage en Chine, Marco Polo (1254-1324) remarqua que les Chinois faisaient br�ler des sortes de pierres noires pour se chauffer et cuire leurs aliments. Il s'agit d'une roche s�dimentaire combustible, riche en carbone, hydrog�ne et oxyg�ne, dont les gisements se sont form�s par accumulation de v�g�taux. Ces derniers, � l'abri de l'air, ont fini par se fossiliser selon un processus appel� m�thanisation, au cours d'une p�riode g�ologique � laquelle on donne le nom de carbonif�re (il y a environ 300 - 360 millions d'ann�es).

Il existe plusieurs vari�t�s de charbon, qui peuvent �tre class�es en fonction de leur teneur en carbone. Voyons cela de plus pr�s.

- La tourbe, principal constituant du sol des tourbi�res, n'est pas un charbon � proprement parler puiqu'elle contient relativement "peu" de carbone (environ 50 %). Par contre, son enfouissement progressif peu mener, dans certaines conditions et sur des p�riodes suffisamment longues (de l'ordre du million d'ann�es), � sa transformation en charbon. Elle est utilis�e comme fertilisant en agriculture, comme combustible (m�me s'il est m�diocre) dans certaines centrales (comme celle de Shatura, pr�s de Moscou), et a �t� employ�e au Moyen-�ge comme mat�riau de construction dans les pays o� le bois manquait (par exemple en Islande). Au niveau mondial, les plus gros producteurs de tourbe sont l'Allemagne et le Canada.

Cueilleurs de tourbe dans le Somerset (sud-ouest
de l'Angleterre), en 1905
Cr�dit : Alexander Eric Hasse

- Le lignite, qui contient entre 55 et 75 % de carbone, est principalement utilis� pour produire de l'�lectricit�. L'Allemagne en est le premier producteur mondial, suivi de la Chine et de la Russie.

- La houille, appel�e autrefois charbon de terre, contient de 75 � 90 % de carbone. Elle est employ�e comme combustible depuis le XI� si�cle. L'Angleterre en fait grand usage d�s le d�but du XVII� si�cle, notamment pour son industrie verri�re, le bois �tant r�serv� � la construction des bateaux. La pyrolyseLa pyrolyse consiste � d�composer un mat�riau organique en le portant � haute temp�rature, mais en l'absence d'oxyg�ne afin qu'il ne br�le pas. de la houille permet d'obtenir du coke, combustible employ� dans les hauts-fourneaux d�s le d�but du XVIII� si�cle, sous l'impulsion du britanique Abraham Darby. Cette r�action de pyrolyse lib�re �galement du goudron ainsi que du gaz de houille (m�lange de dihydrog�ne, de m�thane et de monoxyde de carbone), qui sera utilis� au cours du XIX� si�cle comme gaz d'�clairage dans les grandes villes, avant que l'�clairage �lectrique ne fasse son entr�e en sc�ne.
De nos jours, la houille est essentiellement utilis�e pour produire de l'�lectricit� (centrales thermiques), et pour fabriquer du coke destin� aux hauts-fourneaux. Les plus gros producteurs mondiaux de houille sont la Chine et les Etats-Unis, mais c'est l'Australie qui reste le premier exportateur.

- L'anthracite, qui contient plus de 90 % de carbone, tire son nom du grec "anthrax" signifiant "charbon". Il est utilis� comme combustible pour le chauffage domestique, ainsi que dans le traitement de l'eau o�, m�lang� � du sable fin, il joue le r�le de filtre. En sid�rurgie, il est parfois employ� dans les fonderies car, en raison de sa teneur �lev�e en carbone, il n'a pas besoin d'�tre transform� en coke pour �tre utilis�.
Les principaux gisements se trouvent en Chine, en Australie, en Europe et aux Etats-Unis.

Le charbon de bois

Le charbon de bois est obtenu en carbonisant du bois en l'absence d'oxyg�ne (pyrolyse). La technique, connue depuis l'Antiquit�, consiste � porter le bois � temp�rature �lev�e, tout en l'emp�chant de s'enflammer. Il faut pour cela empiler le bois en formant une sorte de "meule", en laissant un trou central qui fera office de chemin�e. On met ensuite le feu dans la chemin�e � l'aide de charbon de bois, on recouvre le tout d'une �paisse couche de terre, puis on laisse la cuisson agir pendant une bonne quinzaine de jours.
Les images ci-dessous, prises vers 1900 en For�t-Noire, d�crivent ces diff�rentes �tapes.

Quand on estime que le charbon de bois est pr�t, on ajoute une seconde couche de terre pour �touffer la combustion, et on attend tranquillement que le tout refroidisse avant de d�monter la meule.

Aujourd'hui, la production de charbon de bois est principalement r�alis�e dans des fours d�di�s � cette t�che. Essentiellement utilis� comme combustible pour barbecue, il occupait une place bien plus importante autrefois : on l'utilisait en effet comme combustible dans les hauts fourneaux (avant de le remplacer par le coke) et dans la poudre � canon, mais �galement comme conservateur alimentaire (pour la viande et les �ufs). Et n'oublions pas le domaine artistique : on utilise en effet certaines vari�t�s de charbon de bois pour faire ce que l'on appelle du dessin au "fusain" (du nom d'un petit arbuste), m�me si l'on fait aujourd'hui plut�t usage de charbon de saule.

Le p�trole

Le p�trole (litt�ralement "huile de roche") est connu depuis l'Antiquit�, car il affleure (il est mis � nu par l'�rosion) en certains endroits. Il est alors utilis� pour calfater (rendre �tanche) les coques de bateaux, et intervient vraissemblablement dans la composition du feu gr�geois, m�lange incendiaire invent� au VII� si�cle, utilis� lors des combats navals. Il faut attendre l'ann�e 1859 pour qu'il commence � �tre extrait par forage, marquant ainsi le d�but de son exploitation industrielle.

Le p�trole est un m�lange complexe d'hydrocarbures (mol�cules constitu�es d'atomes de carbone et d'hydrog�ne) et de substances contenant entre autres de l'azote, du soufre et de l'oxyg�ne. Au total, ce sont des milliers de mol�cules, plus ou moins complexes, qu'il faut s�parer les unes des autres par distillation fractionn�e.

Si la majeure partie du p�trole (pr�s de 60 %) est utilis�e comme carburant pour alimenter les v�hicules (voitures, avions, bateaux...), il est bon de rappeler que la grande majorit� des mati�res plastiques, des textiles synth�tiques, des solvants ou des cosm�tiques proviennent de la p�trochimie. Le PVC, le poly�thyl�ne, le polystyr�ne, le polyur�thane, les polyesters, les nylons, le polycarbonate... sont en effet tous fabriqu�s � partir de p�trole (et il ne s'agit l� que d'une petite liste). Sans oublier le fioul, utilis� pour le chauffage et la production d'�lectricit� (centrales thermiques � fioul), ou encore le bitume, qui joue le r�le de liant dans l'asphalte employ� pour construire les routes (il assure la coh�sion entre les fragments de roche).

Un dernier mot � ce sujet. Les quantit�s de p�trole s'expriment dans une dr�le d'unit� de mesure, le baril, qui vaut approximativement 159 litres. Cette unit� anglo-saxonne remonte aux ann�es 1870. Elle correspond � la capacit� des tonneaux en ch�ne qui servaient � transporter le whisky, l'huile de baleine, les poissons...

Le graphite

Le graphite ! tire son nom, invent� en 1789 par le min�ralogiste allemand Abraham Gottlob Werner, du grec "graphein" qui signifie "�crire". Avant cette date, on l'appelait "plombagine" car on pensait qu'il s'agissait d'une vari�t� de plomb (auquel il ressemble un peu). En 1779, le chimiste su�dois Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) parvient � d�montrer, en �tudiant sa combustion, qu'il s'agit en r�alit� de carbone.
Il s'agit plus pr�cis�ment de l'une des deux vari�t�s allotropiques (c'est-�-dire l'une des deux formes cristallines) du carbone pur que l'on rencontre dans la nature (en r�alit�, il existe une troisi�me forme tr�s rare, la lonsdal�ite, d�couverte en 1967 dans le Meteor Crater en Arizona).
Le graphite, �l�ment natif, pr�sente une structure cristallline constitu�e de feuillets appel�s "graph�nes", qui peuvent facilement glisser les uns sur les autres, ce qui explique les traces que ce dernier laisse sur le papier. Il se pr�sente sous l'aspect d'un solide noir, relativement mou, conducteur (m�diocre) de l'�lectricit�, dont la temp�rature de fusion (ou plut�t de sublimation, �tant donn� qu'il passe directement � l'�tat gazeux) est la plus �lev�e de la classification p�riodique, puisqu'elle est d'environ 3 800 �C.

Outre la fabrication des mines de crayons de papiers, le graphite est avant tout utilis� en sid�rurgie pour ses qualit�s r�fractaires (creusets, briques). Il est aussi employ� en tant que conducteur �lectrique (�lectrodes, balais de moteurs, batteries lithium-ion) et comme mod�rateur (il ralentit les neutrons) dans certains r�acteurs nucl�aires. Il intervient �galement dans la fabrication de la fibre de carbone, ainsi que dans la composition de peintures anticorrosives, de lubrifiants industriels, du caoutchouc, et la liste est longue...

Le diamant

Le diamant ! tiendrait son nom du grec "adamas", qui signifie "dur". Lui aussi est connu depuis la plus haute Antiquit�, son exploitation remontant � pr�s de 3000 ans en Inde, o� il est alors consid�r� comme le "fruit des �toiles". Dans la Gr�ce et la Rome antiques, il est assimil� aux "larmes de Dieu".
Le chimiste fran�ais Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794) d�montre en 1772 que le charbon et le diamant sont tous deux constitu�s de carbone.

Le diamant est le mat�riau naturel le plus dur, mais cette duret� est fonction de son degr� de puret�. Alors que certains peuvent �tre ray�s par le nitrure de bore, ce n'est pas le cas des plus durs d'entre eux, en particulier ceux qui proviennent des mines de Copeton et Bingara, en Australie. Constitu�s de carbone pur, � l'instar du graphite, leur formation n�cessite des conditions de temp�rature et de pression extr�mes, comme celles rencontr�es entre 150 et 400 km de profondeur dans le manteau terrestre. Ils sont ensuite amen�s � la surface par le magma, via les chemin�es volcaniques. D'autres diamants se sont form�s lors d'impacts m�t�oritiques, � partir du graphite pr�sent dans le sol et qui se transforme sous l'effet de la pression colossale r�sultant de l'onde de choc. C'est ainsi que le crat�re Popiga�, situ� au nord de la Sib�rie, vieux d'environ 35 millions d'ann�es, constituerait l'une des plus grandes r�serves mondiales de diamants. Et pendant que nous y sommes, nous allons faire un "petit" saut jusqu'� l'�toile 55 cancri, �toile binaireUne �toile binaire est un syst�me constitu� de deux �toiles orbitant l'une autour de l'autre, auxquelles on attribue le nom de l'�toile principale, suivi des lettres A (pour la plus brillante) et B. situ�e dans la constellation du Cancer, � environ 41 ann�es-lumi�re de la Terre. Le membre principal de ce "couple", 55 cancri A, est accompagn� de plusieurs exoplan�tes. Rien de bien extraordinaire, puisque l'on a d�tect� pr�s de 4000 exoplan�tes � ce jour, si ce n'est que l'une d'entre elles, 55 Cancri Ae, dont la masse est assez proche de celle de Neptune, serait constitu�e de graphite en surface, et de diamant en profondeur, pour pr�s d'un tiers de sa masse. Il ne s'agit bien entendu que d'une supposition, mais il n'est pas interdit de r�ver.
Quant aux diamants synth�tiques, deux proc�d�s permettent de les obtenir : la technique HPHT (haute pression et haute temp�rature) consiste � soumettre de la poudre de carbone � une temp�rature de 1400�C et � une pression de 58 000 bars, tandis que la technique CVD (d�p�t chimique en phase vapeur) consiste � faire croitre un diamant couche apr�s couche, � l'aide de m�thane (gaz riche en carbone) et d'hydrog�ne ionis�s. Ce dernier proc�d� permet d'obtenir des diamants plus purs qu'avec la m�thode HPHT.

Les deux principales utilisations des diamants sont la joaillerie et l'industrie.

En joaillerie, le diamant est consid�r� comme l'une des quatre pierres pr�cieuses, avec le rubis, l'�meraude et le saphir. Habituellement incolores, les diamants peuvent contenir des impuret�s qui leur conf�rent diverses couleurs : bleu, jaune, rouge... Leur �clat exceptionnel r�sulte de leur indice de r�fraction tr�s �lev� (2,4), ce qui disperse la lumi�re et donne ce scintillement si particulier (la fa�on dont le diamant est taill� joue �galement un r�le important).
La masse d'un diamant s'exprime en carats, un carat valant exactement 0,2 gramme. A l'heure actuelle, le plus gros diamant taill� est le Cullinan I, avec une masse de 530 carats, soit 106 grammes. D�couvert en 1905 dans le Transvaal (Afrique du Sud), il provient d'un diamant brut dont la masse initiale �tait de 3 106 carats (soit 621 g).
Enfin, l'expression "noces de diamants" est employ�e pour symboliser 60 ans de mariage.

Cristal de diamant verd�tre
Cr�dit : G�ry Parent

Dans l'industrie, les diamants sont principalement utilis�s comme abrasifs (instruments de forage), pour faire de la d�coupe (certains bistouris, employ�s en chirurgie occulaire, sont en diamant), du meulage ou du polissage.
A l'heure actuelle, la Russie est le plus gros producteur de diamants (pr�s de 28 % du march� mondial), suivi du Botswana (15 %), du Canada (15 %) et de l'Australie (11 %).

Bien entendu, le carbone connait bien d'autres applications, mais nous n'aborderons que quelques-unes d'entre elles et nous nous contenterons de les survoler rapidement.

Quelques exemples d'utilisation du carbone

La fonte et l'acier

Le fer pur est un m�tal un peu trop fragile pour �tre employ� tel quel, c'est pourquoi on lui ajoute du carbone afin d'am�liorer ses propri�t�s m�caniques, en le rendant plus dur. Selon le pourcentage de carbone, on obtient :

- de l'acier si la teneur en carbone est inf�rieure � 2 %,

Le Golden Gate Bridge et sa structure en acier

- de la fonte si la teneur en carbone est comprise entre 2 % et 6,7 %.

Le sujet sera abord� plus en d�tails dans la rubrique consacr�e au fer.

La fibre de carbone

La fibre de carbone est g�n�ralement fabriqu�e � partir de polyacrylonitrile (plus simplement PAN), un polym�re faisant partie de la famille des acryliques. Ce dernier est port� � haute temp�rature afin d'obtenir des fibres de carbone pratiquement pures, qui sont ensuite assembl�es et tress�es pour former une sorte de tissus, � la fois souple, l�ger et tr�s r�sistant. Ce tissus est ensuite employ� pour servir de renfort dans des mat�riaux composites.
Les applications de la fibre de carbone sont tr�s diverses : nez de la (d�funte) navette spatiale, pi�ces d'avions de chasse, coques et mats de certains trimarans ou voiliers de comp�tition, perches de saut � la perche, cadres de v�los, cannes � p�che, arcs de comp�tition... Leur principal inconv�nient r�side dans leur mauvaise r�sistance aux chocs et � l'abrasion.

Le graph�ne et les nanotubes

Le graph�ne, isol� pour la premi�re fois en 2004, consiste en un feuillet bidimensionnel constitu� d'atomes de carbone, assembl�s selon un motif hexagonal. Les cristaux de graphite sont constitu�s d'un empilement r�gulier de couches de graph�ne.

Le graph�ne est un mat�riau conducteur. Des �tudes montrent qu'� l'avenir, il pourrait remplacer le silicium pour fabriquer des transistors encore plus petits, ouvrant ainsi la voie � des ordinateurs plus rapides et donc plus performants. De plus, ses propri�t�s m�caniques et chimiques pourraient en faire un mat�riau de choix pour fabriquer les �lectrodes de batteries de voitures, ou pour am�liorer la r�sistance � la corrosion en l'incorporant � de la peinture. Et ce n'est l� qu'un petit aper�u des possibilit�s offertes par ce mat�riau hors du commun, pr�sentant une r�sistance dix fois sup�rieure � celle de l'acier tout en �tant beaucoup plus l�ger, ce qui valut � ses d�couvreurs (Andr� Geim et Kostya Novoselov) d'obtenir le prix Nobel de physique en 2010. Malheureusement, son co�t de production reste encore tr�s �lev� � l'heure actuelle.

Quant aux nanotubes, d�couverts en 1991, ils appartiennent � la famille des fuller�nesUn fuller�ne est une mol�cule comportant au moins 60 atomes de carbone, pouvant adopter la forme d'une sph�re, d'un tube, d'un anneau... La famille des fuller�nes, d�couverte en 1985, repr�sente la troisi�me forme allotropique connue du carbone (en plus du graphite et du diamant).. Il s'agit l� encore de feuillets constitu�s d'atomes de carbone, enroul�s sur eux-m�mes en formant de minuscules tubes creux (de quelques nanom�tres de diam�tre), parfois ouverts, parfois ferm�s � leurs extr�mit�s. Leurs propri�t�s m�caniques sont tout bonnement exceptionnelles. C'est ainsi que leur r�sistance � la traction pourrait �tre pr�s de 200 fois plus grande que celle de l'acier, tout en �tant six fois plus l�ger. Certains nanotubes pourraient m�me �tre plus durs que le diamant. Ils sont �galement bons conducteurs de l'�lectricit�, et supraconducteurs � basse temp�rature. Quant � leurs propri�t�s chimiques, leur faible r�activit� les rend int�ressants dans la mesure o� ils pourraient �tre utilis�s pour "enfermer" d'autres mol�cules, un peu comme des tubes � essais, mais � l'�chelle nanom�trique.
Les nanotubes de carbone semblent donc promis � un bel avenir, et ce dans nombre de domaines : v�tements plus r�sistants, mat�riel sportif high-tech plus solide que la fibre de carbone, stockage de l'hydrog�ne, r�servoirs de lubrifiant pour disques durs, et pourquoi pas fabrication de cables ultra-solides pour un �ventuel (mais peu cr�dible) futur ascenseur spatial...

Ascenseur spatial — L'ascenseur du futur. Peut-�tre...
Cr�dit : NASA

Le noir de carbone

Le noir de carbone est une forme amorphe (c'est-�-dire non cristalline) du carbone, qui se pr�sente sous l'aspect d'une poudre noire, constitu�e de petites particules formant des agr�gats inf�rieurs � 1 micron. Autrefois tir� de la suie, le noir de carbone est aujourd'hui obtenu par combustion incompl�te de gaz naturel ou de r�sidus p�troliers lourds, ce qui permet d'avoir un produit beaucoup plus pur et homog�ne. La Chine repr�sente � elle seule plus de 40 % de la production mondiale (14 millions de tonnes en 2018).
Le noir de carbone est surtout utilis� comme charge dans le caoutchouc servant � fabriquer les pneus (raison pour laquelle ils sont noirs), afin d'am�liorer leur r�sistance � l'usure et leur dur�e de vie.

Tas de vieux pneus — Cr�dit : Mark Buckawicki

Il est �galement employ� comme pigment dans diff�rentes encres (encre d'imprimerie, encre de Chine), dans les toners de photocopieuses, dans certaines peintures pour automobiles... Les plus anciens se souviennent sans doute du papier carbone et des rubans noirs de machines � �crire (je parle d'un temps que les moins de vingt ans...).

Le charbon actif

Le charbon actif est un mat�riau poreux constitu� de carbone pratiquement pur, obtenu � partir de bois (bouleau, h�tre, pin, ch�ne, tilleul, peuplier), d'�corce de noix de coco, de noyaux d'olives, de bambou, de houille, et j'en passe... Il trouve une multitude d'applications.

- En raison de sa porosit�, il est utilis� dans nombre de syst�mes de filtrattion (masques � gaz, abris antiatomiques, int�rieurs de voitures, hottes de cuisine, cigarettes...). Dans les stations d'�puration, il permet de retenir les bact�ries et diverses substances comme les pesticides.

- Il permet de d�chlorer l'eau destin�e � la fabrication de la bi�re, et de d�caf�iner le caf�.

- En cas d'ingestion de substances toxiques, il peut jouer le r�le d'antidote en absorbant lesdites substances.

- Ses propri�t�s constipantes font de lui un excellent antidiarrh�ique. Il est �galement fort appr�ci� dans la lutte contre les flatulences chroniques.

- Toujours en raison de sa porosit�, il permet de stocker du dihydrog�ne.

Carbures de bore, de calcium, de silicium et de tungst�ne

Le carbure de bore (B₄C) est une c�ramique � peine moins dure que le nitrure de bore, mais plus r�sistante � l'usure. Plut�t inerte chimiquement (il r�siste � l'acide fluorhydrique), il ne fond qu'� 2 300�C alors qu'il est tr�s l�ger (environ 2,5 g / cm³). Ces qualit�s font qu'il est souvent employ� pour fabriquer des blindages de chars d'assaut et des plaques de gilets pare-balles.

Le carbure de calcium (CaC₂) ! est une "pierre" de synth�se qui, au contact de l'eau, lib�re de l'ac�tyl�ne (C₂H₂), gaz combustible utilis� en sp�l�ologie pour alimenter les lampes � ac�tyl�ne.

Le carbure de silicium (SiC), c�ramique de synth�se ultradure et r�fractaire, est utilis� comme abrasif (meulage, polissage...), dans certains blindages et plaques de gilets pare-balles, dans les disques de freins � hautes performances, et bien d'autres choses encore...

Le carbure de tungst�ne (WC) est une c�ramique r�fractaire extr�mement dure, tr�s dense (environ 15,6 g/cm³), pr�sentant une grande r�sistance � l'usure, utilis�e pour fabriquer des instruments coupants, des forets, des munitions anti-chars...

Et il ne s'agit l� que de quelques exemples...

La datation au carbone 14

Dans la haute atmosph�re, les rayons cosmiques, ces particules de (tr�s) haute �nergie qui circulent dans l'espace � des vitesses parfois proches de celle de la lumi�re, entrent en collision avec les mol�cules d'air, ce qui engendre une cha�ne de r�actions produisant des neutrons. Ces neutrons sont ensuite captur�s par des atomes d'azote 14 (le diazote est le principal constituant de l'air), qui �jectent un de leurs protons et donnent ainsi naissance � des atomes de carbone 14, selon le m�canisme suivant :

¹⁴N + ¹n (neutron) ---> ¹⁴C + ¹H (proton)

Les atomes de carbone 14 ainsi form�s ne sont pas stables dans le temps. Ils se d�sint�grent � un rythme tel que dans un �chantillon donn�, la moiti� d'entre eux ont "disparu" au bout de 5730 ans. Au cours de ces d�sint�grations, chaque atome de carbone 14 concern� voit l'un de ses neutrons se transformer en proton, le tout accompagn� de l'�jection d'un �lectron (on appelle cela la radio-activit� "b�ta moins"), ce qui a pour cons�quence de le retransformer en atome d'azote 14 :

¹⁴C ---> ¹⁴N + e^- (�lectron)

Ceci �tant pos�, le principe de la datation au carbone 14 est relativement simple : une plante, un arbre, un animal, absorbent du carbone, lequel contient une infime quantit� de carbone 14, dont la proportion reste constante tant qu'ils sont vivants. Par contre, d�s qu'ils meurent, la quantit� de carbone 14 qu'ils contiennent d�croit progressivement au cours du temps, puisque ce dernier n'est plus renouvel�. La mesure du rapport ¹⁴C / ¹²C permet donc en principe, moyennant un certain nombre de pr�cautions, de d�terminer la dur�e �coul�e depuis la mort de l'animal (ou de l'arbre) en question. Pour plus de d�tails, vous pourrez regarder avec profit la vid�o suivante !.

Bon, j'en ai suffisamment dit � propos du carbone...

L'azote (Z = 7)

L'azote fait partie du 15^�me groupe (15^�me colonne) de la classification p�riodique, appel� parfois groupe des pnictog�nes (du grec "pnigein" signifiant "asphyxier"), auquel appartiennent �galement le phosphore, l'arsenic, l'antimoine et le bismuth. Il est omnipr�sent dans notre environnement, puisque l'air en contient pr�s de 78 % en volume (sous forme de mol�cules de diazote, de formule N₂). Dans l'univers, l'azote occupe la sixi�me place en terme d'abondance (il repr�sente 0,01 % de tous les atomes). Il poss�de de nombreux isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le m�me nombre de protons, mais qui diff�rent par leur nombre de neutrons., mais seuls deux d'entre eux sont stables : l'azote 14 (¹⁴N), de loin le plus abondant (99,64%), et l'azote 15 (¹⁵N).

Origine de l'azote

L'azote se forme essentiellement dans le coeur des �toiles plus massives que le Soleil. En effet, alors qu'au sein du Soleil (et des �toiles moins massives que lui), l'hydrog�ne est converti en h�lium selon une cha�ne de r�actions nucl�aires appel�e chaine PPLa chaine proton-proton est l'une des principales s�ries de r�actions nucl�aires convertissant l'hydrog�ne en h�lium au coeur des �toiles de masse modeste appartenant � la s�quence principale (le Soleil en fait lui-m�me partie)
. (ou cha�ne proton-proton), dans les �toiles plus massives la principale source d'�nergie r�sulte de la transformation de l'hydrog�ne en h�lium selon un autre cycle de r�actions, appel� cycle CNO (ou cycle carbone-azote-oxyg�ne), qui semble �tre, pour autant qu'on le sache, le principal m�canisme menant � la production d'azote. Au cours de ce cycle, les atomes de carbone jouent le r�le de catalyseurs et on les retrouve � la fin.

Un peu d'histoire

Le diazote est isol� en 1772 par le chimiste, m�decin et botaniste �cossais Daniel Rutherford (1749-1819), qui refit une exp�rience d�j� r�alis�e quelques ann�es auparavant par Henry Cavendish (1731-1810) mais qui eu, contrairement � ce dernier, la bonne id�e de faire part de ses r�sultats � la communaut� scientifique (eh oui, �a marche comme �a).
Nous devons au chimiste fran�ais Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794) le nom "azote", issu du grec "�z�tos" signifiant "invivable" car, contrairement au dioxyg�ne, ce gaz n'entretient pas la vie des animaux, qui meurent asphyxi�s lorsqu'ils respirent du diazote pur. Toutefois, dans les pays anglo-saxons, on l'appelle "nitrogen" (d'o� le symbole N), terme issu du grec "nitron gennan" signifiant "qui engendre le salp�tre" (ou nitre, de formule KNO₃).

Propri�t�s de l'azote

L'azote sous forme atomique ne peut �tre obtenu qu'en laboratoire, sous de tr�s faibles pressions. Quant au diazote (N₂), il s'agit d'un gaz inerte indispensable � la croissance des plantes, qui le pr�l�vent principalement dans le sol sous forme d'ions nitrates (NO₃^-), � l'exception de certaines d'entre elles (luzerne, haricots...) qui le puisent directement dans l'air. Les ions nitrates se forment de fa�on naturelle sous l'action de certaines bact�ries pr�sentes dans le sol, ainsi que lors des orages, les �clairs �tant � l'origine de nombreuses r�actions chimiques entre le diazote et le dioxyg�ne.

Quelques �clairs — Les �clairs, producteurs d'ions nitrate
Cr�dit : U.S. Air Force

L'azote est l'un des principaux constituants des �tres vivants, puisqu'il intervient dans la composition des acides amin�s, dont sont constitu�es les prot�ines. C'est ainsi qu'un individu de 70 kg contient environ 2,3 kg d'azote.

Gazeux � temp�rature ambiante, le diazote passe � l'�tat liquide si l'on abaisse sa temp�rature en dessous de -196�C, et � l'�tat solide si sa temp�rature passe sous la barre des -210�C.

Quelques exemples d'utilisation de l'azote

Le diazote, obtenu principalement par liqu�faction de l'air (� raison de 150 millions de tonnes par an au niveau mondial) trouve nombre d'applications.

- Gaz inerte, il est utilis� pour l'emballage alimentaire (l'absence d'oxyg�ne limite la corrosion et prolonge la dur�e de conservation des aliments) et, � plus grande �chelle, dans certains laboratoires ou mus�es (l� encore � des fins de conservation).

- Il fait office de pesticide "doux", qui asphyxie les organismes ind�sirables (comme les vers du bois).

- On l'emploie pour le gonflage de pneumatiques subissant de fortes contraintes, notamment dans le domaine de l'aviation et de la formule 1.

- L'azote liquide est utilis� en biologie pour conserver des cellules � tr�s basse temp�rature.

- M�lang� � de l'argon et � du dioxyde de carbone, il permet de lutter contre les incendies, en particulier dans les locaux o� il y a du mat�riel informatique.

De nombreuses substances contenant de l'azote, qu'elles soient organiques (riches en carbone) ou inorganiques, jouent un r�le important dans notre soci�t�. Nous allons ici faire plus ample connaissance avec quelques-unes d'entre elles.

- Si, de nos jours, on utilise encore des engrais d'origine naturelle (guano, fumier, compost...), la majeure partie d'entre eux (nitrate d'ammonium, nitrate de calcium, phosphate d'ammonium, ur�e...) provient de l'industrie chimique. Or, pour synth�tiser ces substances, il faut de l'azote, beaucoup d'azote, qui voit d'ailleurs l� sa principale utilisation au niveau mondial.

Le nitrate de chaux — Affiche publicitaire de 1927

- L'ammoniac (NH₃) est un gros consommateur d'azote. Non seulement il est employ� pour produire des engrais, des explosifs, des polym�res (plastiques, fibres synth�tiques...), mais il est �galement utilis� comme fluide r�frig�rant, comme additif dans le tabac (il augmente l'effet addictif de la nicotine), ou encore comme un moyen de stocker de l'hydrog�ne. Il tire son nom du dieu �gyptien Amon, car � proximit� du temple de ce dernier, on extrayait autrefois un min�ral, le salmiac, capable d'en lib�rer. Il faut attendre l'ann�e 1913 pour que le chimiste allemand Fritz Haber (1868-1934) parvienne enfin � le synth�tiser directement � partir de dihydrog�ne et de diazote, ce qui lui vaudra le prix Nobel de chimie en 1918.

- De nombreuses substances riches en azote sont utilis�es comme explosifs. Lors de leur combustion, ceux-ci produisent en effet de grandes quantit�s de diazote, dont les mol�cules sont extr�mement stables, ce qui a pour cons�quence de lib�rer �norm�ment d'�nergie.

- L'hydrazine, de formule N₂H₄, est utilis� comme carburant pour moteurs de fus�es de faible puissance (par exemple pour positionner les satellites sur leurs orbites).

- L'azoture de sodium (NaN₃) se pr�sente sous la forme d'une poudre blanche, qui explose violemment en cas d'augmentation brutale de la temp�rature. C'est la raison pour laquelle on l'emploie dans les airbags de voiture : en cas de choc, ils gonflent instantan�ment les coussins en lib�rant du diazote.

- La nitroglyc�rine, explosif � combien c�l�bre, est �galement employ�e comme m�dicament pour traiter certaines affections cardiovasculaires comme l'angine de poitrine.

- Le protoxyde d'azote (N₂O) ou "gaz hilarant", d�couvert en 1772 par l'anglais Joseph Priestley (1733-1804), est utilis� en chirurgie comme anesth�sique ou antalgique. Il est �galement employ� comme gaz propulseur dans les bombes de cr�me chantilly.

Les effets du gaz hilarant — Les effets du gaz "hilarant"
(cette pratique n'est pas sans danger ! )
Cr�dit : Thomas McLean

- Le nitrure de bore, deuxi�me �l�ment le plus dur apr�s le diamant mais beaucoup plus r�sistant � la chaleur, est parfois utilis� comme abrasif pour usiner l'acier.

- Le nitrure de silicium (Si₃N₄), c�ramique l�g�re et extr�mement dure, conna�t aujourd'hui un nombre croissant d'applications : bougies de pr�chauffage des moteurs diesel, roulements � billes � hautes performances, mat�riau r�fractaire pour tuy�res de fus�es, isolant �lectrique, abrasif et outils de coupe (il s'av�re plus performant que le carbure de tungst�ne)...

L'oxyg�ne (Z = 8)

L'oxyg�ne fait partie du 16^�me groupe (16^�me colonne) de la classification p�riodique, appel� parfois groupe des chalcog�nes (du grec "chalcos" signifiant "minerai"), auquel appartiennent �galement le soufre, le s�l�nium, le tellure et le polonium.
Il poss�de de nombreux isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le m�me nombre de protons, mais qui diff�rent par leur nombre de neutrons., mais seuls trois d'entre eux sont stables : l'oxyg�ne 16 (¹⁶O), l'oxyg�ne 17 (¹⁷O) et l'oxyg�ne 18 (¹⁸O), l'oxyg�ne 16 occupant de tr�s loin la premi�re place (� 99,76 %). Troisi�me �l�ment le plus abondant de l'univers (environ 0,1% de tous les atomes) apr�s l'hydrog�ne et l'h�lium, il est �galement omnipr�sent sur Terre, puisqu'il repr�sente � lui seul pr�s de 46 % de la masse de la cro�te terrestre (principalement sous forme de dioxyde de silicium, de carbonates, d'oxydes de fer...). Il constitue �galement 21 % de l'air sec et environ 86 % de la masse des oc�ans (pour rappel, la mol�cule d'eau a pour formule H₂O).

La plan�te Terre — La plan�te ~~Terre~~ "Oxyg�ne"
Cr�dit : NASA - Mission Apollo 17

Origine de l'oxyg�ne

A l'instar du carbone, l'oxyg�ne se forme exclusivement au coeur des "vieilles" �toiles, lorsque celles-ci ont �puis� leurs stocks d'hydrog�ne et commencent � fusionner leur h�lium. Ces �toiles appartiennent alors � la famille des g�antes rouges et, pour �tre pr�cis, font partie de ce que l'on appelle le red clump (ou "grumeau rouge"). Dans un premier temps, de l'h�lium est transform� en carbone, puis une partie de ce carbone r�agit � son tour avec l'h�lium pour donner de l'oxyg�ne 16, selon la r�action suivante :

¹²C + ⁴He ---> ¹⁶O + rayons gammas

Quant � l'oxyg�ne 17 et � l'oxyg�ne 18, ils sont produits au cours d'une variante du cycle CNO. Pour rappel, le cycle CNO consiste en une suite de r�actions faisant intervenir le carbone 12 (qui joue le r�le de catalyseur), et qui permet de convertir l'hydrog�ne en h�lium de fa�on plus efficace que la chaine PPLa chaine proton-proton est l'une des principales s�ries de r�actions nucl�aires convertissant l'hydrog�ne en h�lium au coeur des �toiles de masse modeste appartenant � la s�quence principale (le Soleil en fait lui-m�me partie)
. (cha�ne proton-proton).

A la fin de cette phase, le coeur de l'�toile est essentiellement constitu� de carbone et d'oxyg�ne. Quand la temp�rature y atteint le milliard de kelvin, les r�actions de fusion du carbone prennent le relai, donnant naissance � du sodium 23, du n�on 20 et du magn�sium 23 :

¹²C + ¹²C ---> ²³Na + ¹p (proton)

¹²C + ¹²C ---> ²⁰Ne + ⁴He

¹²C + ¹²C ---> ²³Mg + ¹n (neutron)

Sous l'action de rayons gammas tr�s �nerg�tiques, une partie des noyaux de n�on 20 sont bris�s, donnant de l'oxyg�ne 16 et de l'h�lium 4 :

²⁰Ne + rayons gammas ---> ¹⁶O + ⁴He

Une autre r�action, faisant cette fois intervenir le carbone 13, produit de l'oxyg�ne 16 :

¹³C + ⁴He ---> ¹⁶O + neutron

Un peu plus tard, lorsque la temp�rature d�passe les deux milliards de kelvin, la fusion de l'oxyg�ne entre en jeu � son tour, mais nous d�couvrirons cela un peu plus loin.

Un peu d'histoire

Il est difficile d'associer un nom � la d�couverte de l'oxyg�ne, plusieurs savants ayant apport� leur contribution dans ce domaine. En 1772, le chimiste su�dois Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) constate qu'en chauffant du salp�tre ou de l'oxyde de mercure, il obtient un gaz qui ravive les combustions, gaz auquel il donne le nom d' "air combustible". En 1774, le pasteur et philosophe anglais Joseph Priestley (1733-1804) d�compose � son tour de l'oxyde de mercure et obtient ce qu'il appelle de "l'air d�phlogistiqu�" (en r�f�rence � la th�orie du phlogistique, sorte de "principe du feu" qui se d�gage lorsque l'on br�le des corps combustibles). Il remarque notamment qu'une souris enferm�e dans un bocal renfermant ce gaz est plus active.

Joseph Priestley,
par Ozias Humphrey (1742-1810)

C'est toutefois le chimiste fran�ais Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794) qui, le premier, donne l'explication correcte de ce qui se passe lors d'une combustion et du r�le jou� par le dioxyg�ne, mettant ainsi � mal la th�orie du phlogistique. Il confirme �galement que l'air n'est pas un �l�ment comme on le pensait depuis pr�s de 2000 ans, mais qu'il est en r�alit� constitu� de deux gaz : l'azote (qui tire son nom du grec signifiant "priv� de vie") et l' "air vital", auquel il donne rapidement le nom d'oxyg�ne (du grec "oxys" signifiant acide) car il pense (� tort) qu'il intervient dans la composition de tous les acides (c'est le cas des acides nitrique et sulfurique, mais pas de l'acide chlorhydrique, pour ne prendre que ces exemples).

Propri�t�s de l'oxyg�ne

L'oxyg�ne est avant tout un excellent comburant. Il constitue � ce titre l'un des �l�ments du triangle du feu, ou plus exactement du t�tra�dre du feu, qui doivent �tre r�unis si l'on veut qu'il y ait combustion. Ces �l�ments sont les suivants :

- Le combustible, c'est ce qui br�le (bois, charbon, essence, m�thane...)

- Le comburant est ce qui permet au combustible de br�ler (dioxyg�ne, substances riches en oxyg�ne, halog�nes...)

- L'�nergie d'activation, c'est ce qui permet de d�clancher la combustion. Elle peut �tre apport�e par une flamme, un corps incandescent, une �tincelle...

- Les radicaux libres sont des mol�cules instables et tr�s r�actives, qui r�sultent g�n�ralement de la rupture de liaisons chimiques. Sans eux, les combustions se produiraient sans qu'il y ait de flammes.

Dans les CNTPLes CNTP ou conditions normales de temp�rature et de pression sont consid�r�es de fa�on arbitraire comme �tant les conditions d'exp�rimentation et de mesure en laboratoire, d�finies par une temp�rature de 0�C (273,15 K) et une pression de 1 atmosph�re (soit 101 325 Pa ou 1,013 bars). (conditions normales de temp�rature et de pression), le dioxyg�ne se pr�sente sous forme d'un gaz incolore et inodore, constitu� de mol�cules ayant pour formule O₂. Il se liqu�fie (se condense) � -183�C et se solidifie � -218�C. Sous forme liquide ou solide, il reste transparent, mais pr�sente alors un aspect l�g�rement bleut�.
Il est possible d'obtenir de l'oxyg�ne pur � partir de l'air liquide, en effectuant une distillation fractionn�e (voir les deux premi�res minutes de la vid�o suivante !). A l'�chelle mondiale, ce sont pr�s de 100 millions de tonnes de dioxyg�ne qui sont ainsi produites chaque ann�e.

Oxyg�ne liquide
Cr�dit : Nika Glover, U.S. Air Force

Soluble dans l'eau, le dioxyg�ne permet aux formes de vie aquatiques de se d�velopper et de prosp�rer. Il est d'ailleurs d'autant plus soluble dans l'eau que celle-ci est froide, ce qui explique la plus grande densit� d'esp�ces vivantes dans les eaux polaires.

Enfin l'oxyg�ne est un �l�ment tr�s corrosif, qui a notamment tendance � oxyder de nombreux m�taux (mais pas seulement). L'exemple le plus frappant est celui de la rouille, m�lange d'oxydes et d'hydroxydes de fer r�sultant de l'action combin�e de l'oxyg�ne et de l'eau.

Quelques exemples d'utilisation de l'oxyg�ne

- L'oxyg�ne est utilis� en m�tallurgie, notamment pour produire de l'acier � partir de la fonte sortant des hauts fourneaux. Utilis� � la place de l'air depuis les ann�es 1950, l'oxyg�ne permet en effet de d�carburer la fonte (retirer le carbone en exc�s), et d'�liminer la quasi-totalit� du phosphore et du soufre qu'elle contient.

- L'oxycoupage permet de d�couper des m�taux � l'aide d'un simple jet de dioxyg�ne pur. Le principe en est tr�s simple. Dans un premier temps, une flamme obtenue � l'aide d'un m�lange de dioxyg�ne et d'ac�tyl�ne permet de porter � haute temp�rature (environ 1300�C) l'endroit o� l'on veut commencer la d�coupe. Ensuite, une fois la temp�rature d'amor�age atteinte, le jet d'oxyg�ne pur permet d'auto-entretenir la combustion du m�tal.

- En m�decine, l'oxyg�ne est prescrit aux personnes ayant des insuffisances respiratoires (on parle d'oxyg�noth�rapie).

- Vulcain, le moteur-fus�e des lanceurs Ariane 5, est aliment� par du dihydrog�ne et du dioxyg�ne liquides, tandis que les lanceurs Soyouz utilisent le couple d'ergols dioxyg�ne-k�roz�ne (c'�tait �galement le cas des Saturne V). Les lanceurs du futur utiliseront quant � eux vraissemblablement le couple dioxyg�ne-m�thane.

D�collage d'un lanceur Soyouz en 2006
Cr�dit : NASA - Bill Ingalls

- Le dioxyg�ne est employ� dans les usines de traitement d'eau potable : il permet en effet le d�veloppement de certaines bact�ries qui d�composent les d�chets.

- Il est �galement employ� en chimie dans de tr�s nombreux processus faisant intervenir des oxydations.

- Dans la haute atmosph�re, entre 20 et 40 km d'altitude, les rayons ultraviolets �mis par le Soleil sont absorb�s par les mol�cules de dioxyg�ne (O₂), qui se brisent aussit�t en lib�rant des atomes d'oxyg�ne, qui � leur tour s'unissent � d'autres mol�cules de dioxyg�ne pour donner du trioxyg�ne (O₃), plus connu sous le nom... d'ozone. Celui-ci joue un r�le essentiel puisqu'il filtre la majeure partie des rayons ultraviolets provenant du Soleil.

Le phosphore (Z = 15)

Le phosphore fait partie du 15^�me groupe (15^�me colonne) de la classification p�riodique, appel� parfois groupe des pnictog�nes (du grec "pnigein" signifiant "asphyxier"), auquel appartiennent �galement l'azote, l'arsenic, l'antimoine et le bismuth. Le phosphore poss�de 23 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le m�me nombre de protons, mais qui diff�rent par leur nombre de neutrons. connus, mais seul le phosphore 31 (³¹P) est stable. Pour ce qui est de son abondance dans la cro�te terrestre, il arrive en onzi�me position (en terme de masse).

Origine du phosphore

Lorsque de vieilles �toiles massives (au moins huit masses solaires) arrivent au terme de leur existence, elles finissent, quand la temp�rature atteint deux milliards de kelvins dans leur coeur, par r�aliser la fusion de l'oxyg�ne. Parmi les nombreuses r�actions qui ont alors lieu, certaines produisent du phosphore 31 (³¹P) et du phosphore 30 (³⁰P) :

¹⁶O + ¹⁶O ---> ³¹P + ¹p (proton)

¹⁶O + ¹⁶O ---> ³⁰P + ²H (deut�rium)

Cette phase n'augure rien de bon, puisqu'une fois l'oxyg�ne �puis�, la fusion du silicium prend la rel�ve. Cette derni�re �tape ne dure pas plus d'une journ�e et sonne le glas de notre �toile, qui termine alors son existence en supernova, ph�nom�ne apocalyptique au cours duquel une partie des �l�ments qu'elle a synth�tis�s tout au long de sa vie sont dispers�s dans l'espace.

Un peu d'histoire

Rendons-nous en Allemagne, plus pr�cis�ment dans la ville de Hambourg, en l'an 1669, o� nous attend un certain Hennig Brandt (1630-1692). Celui-ci, marchand de son �tat, est passionn� par l'alchimie, activit� tr�s en vogue � son �poque. Il r�ve de faire fortune en d�couvrant le secret de la pierre philosophale. Alors qu'il tente d�sesp�r�ment d'obtenir de l'or � partir de diff�rents m�taux, il a soudain une r�v�lation : le pipi ! Sa couleur dor�e ne peut signifier qu'une chose : ce liquide doit �tre la cl� qui lui permettra d'atteindre son objectif. D�s lors, il va se mettre � collecter et � faire �vaporer des milliers de litres d'urine, ce qui lui permet d'obtenir un r�sidu de couleur brun�tre. Celui-ci ne lui permet pas de fabriquer de l'or, mais il remarque qu'en chauffant un �chantillon de cette substance en pr�sence d'un m�tal quelconque, il finit par obtenir une p�te blanch�tre dont le comportement est �trange : non seulement cette derni�re s'enflamme spontan�ment au contact de l'air, mais dans l'obscurit�, elle �met une douce lueur verd�tre !. Il lui donne le nom de "phosphore", terme construit � partir de la racine grecque "phosphoros", qui signifie litt�ralement "porteur de lumi�re".

Hennig Brandt d�couvre le phosphore — Hennig Brandt d�couvrant le phosphore,
par Joseph Wright, 1771

Ironie de l'histoire, en 1943, c'est en faisant usage (entre autres) de bombes au phosphore, que les alli�s d�truiront la ville de Hambourg, au cours de sept raids a�riens portant le nom d' "Op�ration Gomorrhe". Cela co�tera la vie � pr�s de 45 000 civils, mais que voulez-vous, quand on est dans le camp du "Bien", tout est permis.

Vue a�rienne de Hambourg
apr�s l'op�ration Gomorrhe
Cr�dit : Royal Air Force

Mais revenons � Brandt � et son urine. En 1674, le chimiste allemand Johann Kunkel parvient � d�couvrir son secret, et isole le phosphore � son tour. Il sera suivi de peu (en 1679) par le physicien irlandais Robert Boyle (1627-1691). En 1770, les su�dois Johan G. Gahn et Carl W. Scheel mettent au point un proc�d� permettant d'obtenir de grandes quantit�s de phosphore � partir d'os de boeufs et de moutons. Il faut toutefois attendre l'ann�e 1867 pour que soit mise au point la m�thode moderne, bas�e sur la prodution de phosphore � partir de minerais.

Propri�t�s du phosphore

Le phosphore existe sous plusieurs formes cristallines (ou formes allotropiques), les plus connues �tant le phosphore blanc, le phosphore rouge et le phosphore noir.

Le phosphore blanc, compos� de mol�cules t�tra�driques constitu�es de 4 atomes (P₄), se pr�sente sous la forme d'un solide ayant une consistance cireuse, de couleur blanc-jaune ! et dont l'odeur peut faire penser � celle de l'ail. Tr�s inflammable, ses vapeurs sont corrosives, raison pour laquelle il a �t� employ� comme arme chimique lors des deux premi�res guerres mondiales. Extr�mement toxique, son ingestion provoque de graves l�sions au foie, et une exposition prolong�e peut �tre � l'origine d'une n�crose de la m�choire. Lors de sa combustion, le phosphore blanc donne du pentoxyde de phosphore, substance tr�s hygroscopiqueUne substance hygroscopique est une substance qui a la propri�t� d'absorber l'humidit� de l'air., qui au contact de l'eau se transforme en acide phosphorique (H₃PO₄). Cette m�me propri�t� le rend capable d'absorber l'eau des tissus vivants, et de dissoudre ces derniers.
Dans l'obscurit�, le phosphore blanc brille en �mettant une lueur verd�tre quand il entre en contact avec de l'oxyg�ne, et il peut s'enflammer spontan�ment (on dit qu'il est pyrophorique). C'est pour cela qu'il est g�n�ralement conserv� dans l'eau, liquide dans lequel il est tr�s peu soluble.

Le phosphore rouge se pr�sente sous la forme d'une poudre de couleur brun-rouge. Il peut �tre obtenu en chauffant du phosphore blanc � plus de 250�C. Beaucoup moins inflammable que ce dernier, il pr�sente en outre l'avantage de ne pas �tre toxique. Les atomes de phosphore s'y organisent en longues cha�nes, form�es � partir des mol�cules t�tra�driques de phosphore blanc.

Echantillon de phosphore rouge
Cr�dit : Tomihahndorf

Dans le phosphore noir, les atomes de phosphore adoptent une structure en feuillets (appel�e phosphor�ne) pouvant faire penser aux feuillets constituant le graphite. Le phosphor�ne se comporte comme un semi-conducteur, et des �tudes sont actuellement men�es pour voir s'il serait possible de l'employer dans des circuits �lectroniques.

Le phosphore joue un r�le essentiel chez les �tres vivants. Nos cellules (dont les membranes sont constitu�es de phospholipides) l'emploient comme vecteur d'�nergie, gr�ce aux mol�cules d'ad�nosine triphosphate (ATP). Notre ADN contient �galement du phosphore, ainsi que nos os et nos dents (sous forme de phosphate de calcium). Quant aux plantes, elle ont besoin de phosphates pour assurer leur croissance.

Production industrielle du phosphore

Le phosphore n'existant pas � l'�tat natif, il provient essentiellement de minerais riches en phosphates, tels que l'apatite. Egalement pr�sent dans les minerais de fer, il faut absolument l'en retirer car il p�jore les qualit�s m�caniques de l'acier. Les principaux producteurs mondiaux de phosphate sont la Chine, les Etats-Unis et le Maroc (qui d�tient environ un tiers des r�serves mondiales).
La production mondiale est d'environ 900 000 tonnes par an, en grande partie obtenues par r�duction de phosphates naturels en pr�sence de coke et de silice, dans un four �lectrique � l'int�rieur duquel r�gne une temp�rature de 1200-1500�C (on obtient ainsi du phosphore blanc).

Quelques exemples d'utilisation du phosphore

- A la grande honte de certains bellig�rants, le phosphore blanc a �t� (et est encore) employ� comme arme chimique, en tant qu'agent incendiaire (il s'av�re encore plus "efficace" que le napalm). Il est �galement utilis� comme fumig�ne, en raison de sa capacit� � produire de grandes quantit�s de fum�e, ainsi que dans les balles tra�antes.
Les explosions des bombes au phosphore sont assez facile � reconna�tre, car elles sont caract�ris�es par une multitude de traits blancs lumineux, visibles sur l'image ci-dessous.

Test de bombardement au phosphore
sur le navire de guerre USS Alabama en 1921

- Le phosphore rouge est principalement utilis� pour fabriquer les allumettes de s�ret�. Contrairement � ce que l'on croit souvent, il ne se trouve pas sur l'allumette elle-m�me, mais sur le grattoir, m�lang� � de la poudre de verre. Quant au bout rouge (ou "bouton") de l'allumette, il est constitu� d'un m�lange de chlorate de potassium, de sulfure d'antimoine et de phosphate d'ammonium (dont la tige en bois est d'ailleurs impr�gn�e), auquel on ajoute un peu de colorant rouge pour le c�t� esth�tique, et de la colle pour assurer la coh�sion de l'ensemble.

- Le phosphore rouge est �galement employ� dans nombre de dispositifs pyrotechniques, comme les feux d'artifices.

- Les compos�s organophosphor�s sont des substances organiques (donc bas�es sur la chimie du carbone) comportant au moins un atome de phosphore. Appartiennent � cette cat�gorie certains pesticides (comme le malathion) et herbicides (le plus connu �tant le Roundup). Le gaz sarin, utilis� dans l'attentat du m�tro de Tokyo (1995) par la secte Aum Shinrikyo, est un compos� organophosphor�.

Le phosphore est toutefois principalement employ� sous forme de phosphates, provenant de minerais riches en ions phosphate (PO₄^3-), hydrog�nophophate (HPO₃^2-), dihydrog�nophophate, etc...

- Les phosphates sont principalement utilis�s en agriculture et en jardinage, puisqu'ils entrent dans la composition des engrais phosphat�s.

- Il n'y a pas si longtemps, nos lessives contenaient des phosphates, dont le r�le consistait � emp�cher que le calcaire ne se red�pose sur les tissus. Interdits en france depuis juillet 2007, leur utilisation dans les lessives est strictement r�glement� par l'Union europ�enne depuis f�vrier 2012. Les phosphates contenus dans les eaux us�es contribuent en effet au ph�nom�ne d'eutrophisation, ce qui se traduit par la prolif�ration des algues dans les cours d'eau, et par la disparition des autres esp�ces, les algues consommant tout l'oxyg�ne disponible.

- Les additifs E540 (dihydrog�nophosphate de calcium) et E541 (phosphate d'aluminium), sont associ�s au bicarbonate de sodium dans les poudres � lever utilis�es en boulangerie-p�tisserie.

Le soufre (Z = 16)

Le soufre fait partie du 16^�me groupe (16^�me colonne) de la classification p�riodique, appel� parfois groupe des chalcog�nes (du grec "chalcos" signifiant "minerai"), auquel appartiennent �galement l'oxyg�ne, le s�l�nium, le tellure et le polonium. Il poss�de 25 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le m�me nombre de protons, mais qui diff�rent par leur nombre de neutrons. connus, parmi lesquels quatre sont stables : le soufre 32 (³²S) pour 95 %, le soufre 33 (³³S) pour 0,75 %, le soufre 34 (³⁴S) pour 4,2 % et enfin le soufre 35 (³⁵S) pour 0,02 %.
Le soufre arrive en dixi�me position en terme d'abondance dans l'univers (0,002 % de tous les atomes). L'eau de mer (de surface) en contient de grandes quantit�s (en moyenne 900 mg/L), et il est �galement relativement abondant dans la cro�te terrestre.

Echantillon de soufre
Cr�dit : Ben Mills

Origine du soufre

Lorsque de vieilles �toiles massives (au moins huit masses solaires) arrivent au terme de leur existence, elles finissent, quand la temp�rature atteint deux milliards de kelvins dans leur coeur, par r�aliser la fusion de l'oxyg�ne. Parmi les nombreuses r�actions qui ont alors lieu, certaines produisent du soufre 31 (³¹P), instable (avec une p�riode de 2,57 s), et du soufre 32 (³²P) :

¹⁶O + ¹⁶O ---> ³¹S + ¹n (neutron)

¹⁶O + ¹⁶O ---> ³²S + rayons gammas

Dans les �toiles ayant une masse sup�rieure � dix masses solaires, un autre m�canisme intervient �galement, entre 3 et 4 milliards de kelvins : les r�actions de photodissociation. Les photons gammas sont alors tellement �nerg�tiques qu'ils parviennent � briser des noyaux complexes. C'est ainsi que certains noyaux de silicium 28, sous l'action de ces photons, �jectent des particules alpha (noyau d'h�lium 4), qui sont ensuite r�absorb�es par d'autres noyaux de silicium 28, produisant ainsi du soufre 32 :

²⁸Si + ⁴He ---> ³²S + rayons gammas

D'autres �l�ments seront ensuite produits par ce m�me processus : argon 36, calcium 40, titane 44...
Une fois l'oxyg�ne �puis� au coeur de l'�toile, la fusion du silicium prend la rel�ve durant quelques heures. Le destin de l'�toile est alors scell�, cette derni�re terminant son existence dans une explosion apocalyptique, au cours duquel une partie des �l�ments qu'elle a synth�tis�s tout au long de sa vie sont dispers�s dans l'espace.

Un peu d'histoire

Le soufre existant � l'�tat natif, il est connu depuis la plus haute Antiquit�. Vers 150 av J.-C., l'homme politique et historien romain Caton l'Ancien sugg�re de l'employer pour prot�ger la vigne contre les larves de pyrales, faisant de cet �l�ment l'un des plus anciens insecticides connus.

La pyrale, un papillon ravageur
Cr�dit : Bibliographisches Institut Leipzig

La Bible mentionne le soufre � plusieurs reprises, notamment dans la Gen�se, lorsque Yahweh fait tomber une pluie de soufre et de feu sur les villes de Sodome et Gomorrhe.

Au XI� si�cle, les Chinois inventent la poudre � canon, m�lange de soufre, de charbon de bois et de salp�tre. La recette est d�crite dans le Wujing Zongyao, trait� militaire �crit en 1044 durant la dynastie des Song du Nord (image ci-dessous).

Il faut toutefois attendre l'ann�e 1777 pour que le chimiste fran�ais Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794) consid�re le soufre comme un �l�ment chimique � part enti�re.

Propri�t�s du soufre

Le soufre, lorsqu'il est � l'�tat de corps simple et dans les CNTPLes CNTP ou conditions normales de temp�rature et de pression sont consid�r�es de fa�on arbitraire comme �tant les conditions d'exp�rimentation et de mesure en laboratoire, d�finies par une temp�rature de 0�C (273,15 K) et une pression de 1 atmosph�re (soit 101 325 Pa ou 1,013 bars)., se pr�sente sous l'aspect d'un solide de couleur jaune, qui br�le avec une flamme bleue en lib�rant du dioxyde de soufre (SO₂), gaz incolore mais toxique et tr�s irritant.

Cristal de soufre natif
Cr�dit : Parent G�ry

Il s'agit de l'�l�ment pr�sentant le plus de formes allotropiques (c'est-�-dire de formes cristallines ou mol�culaires), que ce soit � l'�tat solide, liquide ou gazeux, la forme la plus r�pandue �tant le cyclo-octasoufre (S₈), mol�cule constitu�e de huit atomes de soufre formant une boucle. Dans la nature, le soufre est pr�sent dans nombre de min�raux, sous forme de sulfures ou de sulfates, mais on le trouve �galement � l'�tat natif, en particulier � proximit� de certains volcans.
En raison de ses nombreuses formes allotropiques, le soufre adopte un comportement pour le moins �trange lorsqu'on le chauffe. Alors qu'il est encore � l'�tat solide, un premier changement s'op�re � 95�C : de jaune clair (soufre dit "alpha"), il devient jaune fonc� (soufre "beta"). Arriv� � 115�C, il passe � l'�tat "liquide", sa viscosit� continuant � diminuer jusqu'� 155�C. Puis, � partir de 160�C, le processus s'inverse : il devient de plus en plus p�teux, le maximum de viscosit� �tant atteint � 190�C (en raison d'une polym�risation des atomes de soufre). Il prend alors une teinte brun fonc�, mais finit par redevenir liquide au fur et � mesure que la temp�rature augmente. Enfin, il entre en �bullition � 445�C.

Io, l'un des quatres satellites galil�ensLes satellites galil�ens sont les quatre plus gros satellites de Jupiter, � savoir (par ordre d'�loignement) Io, Europe, Ganym�de et Callisto. Il ont �t� observ�s pour la premi�re fois en janvier 1610 par le savant italien Galil�e, et nomm�s ainsi par l'astronome allemand Simon Marius. de Jupiter, pr�sente un aspect bien �trange, qui lui vaut parfois le surnom de "pizza volante". La raison en est simple : cet astre poss�de de nombreux volcans tr�s actifs, qui "crachent" des quantit�s consid�rables de soufre et d'oxyde de soufre, tous deux responsables de cette �tonnante palette de couleurs.

Le satellite Io
Cr�dit : NASA / JPL / University of Arizona

A l'exception des gaz rares, le soufre est susceptible de former des compos�s avec pratiquement tous les autres �l�ments. C'est ainsi qu'il r�agit plus ou moins rapidement (parfois � froid, parfois � chaud) avec les m�taux comme le cuivre, l'argent, le mercure, le zinc, l'aluminium, l'�tain, le fer, le chrome, le nickel, le cobalt... A l'�tat liquide, il r�agit brutalement avec certains alcalins et alcalinoterreux (lithium, sodium, magn�sium). En dehors de l'iode, il se combine facilement avec les halog�nes, allant jusqu'� s'enflammer spontan�ment en pr�sence de fluor. Il peut �galement se combiner � l'hydrog�ne, donnant ainsi du sulfure d'hydrog�ne (H₂S), gaz toxique dont l'odeur naus�abonde �voque celle des oeufs pourris.

Le soufre occupe une place importante chez les �tre vivants. Il entre notamment dans la composition de certaines enzymes, ainsi que dans celle de deux acides amin�s, la cyst�ine et la m�thionine. Dans le corps, il est essentiellement stock� dans les ongles, les cheveux et les os, contribuant � la solidit� de ces derniers (il favorise l'absorption du calcium, du magn�sium et du phosphore). Certaines bact�ries vont m�me jusqu'� utiliser le soufre comme source d'�nergie, en r�duisant les ions sulfate (SO₃^2-) en sulfure d'hydrog�ne (H₂S).
L'ail contient des compos�s soufr�s, responsables de son go�t et de son odeur si particuliers. Quant aux propri�t�s lacrimales des oignons, ce sont �galement des compos�s soufr�s qui en sont � l'origine. En effet, les oignons ont la f�cheuse habitude de puiser le soufre contenu dans le sol, et de le stocker dans leurs cellules. Lorsque, sous l'action du couteau, ces cellules sont d�rich�es, une suite de r�actions chimiques aboutit � la formation d'oxyde de propanethial, gaz irritant qui, au contact des yeux, se transforme en... acide sulfurique.

Dans le monde animal, les mouffettes, petites cr�ature inoffensives, ont trouv� un moyen de d�fense assez original. Quand elles se sentent menac�es, elles projettent sur leur adversaire un liquide malodorant constitu� d'un m�lange de thiols, substances riches en soufre plus connues sous le nom de mercaptans. Ce sont �galement des thiols que l'on retrouve dans les c�l�bres "boules puantes".

Production industrielle du soufre

En 2017, pr�s de 87 millions de tonnes de soufre �taient produites au niveau mondial. Ce soufre a bien entendu plusieurs origines :

- environ 70 % de la production est obtenue � partir du sulfure d'hydrog�ne provenant du gaz naturel (Canada, Russie), et du soufre contenu dans le p�trole brut (Etats-Unis, Arabie Saoudite�) ainsi que dans les sables bitumineux (Canada),

- un peu plus de 6 % provient de soufre � l'�tat natif (Etats-Unis, pologne, Irak, Russie),

- pr�s de 34 % du soufre provient des sulfures contenus dans divers min�raux, tels les pyrites (FeS₂) (Chine, Finlande, Russie).

Soufre en attente de chargement, � Hoskins Mound (Texas)
Cr�dit : John Vachon

Quelques exemples d'utilisation du soufre

- Dans l'industrie, la majeure partie du soufre (environ 85 %) est utilis�e pour synth�tiser de l'acide sulfurique, qui intervient lui-m�me dans nombre de processus industriels, en particulier la fabrication des engrais, qui consomment � eux seuls pr�s de 60 % de la production de soufre (sous forme de sulfate de calcium).
L'acide sulfurique intervient �galement dans l'�laboration de d�tergents, dans le blanchiment de la p�te � papier, dans le raffinage du p�trole, dans l'industrie textile, en m�tallurgie (comme d�capant ou solvant), et j'en passe...

- En viticulture et en horticulture, le soufre est utilis� comme fongicide pour lutter contre l'oidium (ou pourriture blanche), champignon susceptible de prolif�rer sur un grand nombre de plantes, lorsque le temps est chaud et humide.

Feuilles de ch�ne attaqu�e par l'oidium
Cr�dit : Roger Griffith

- En 1885, un nouveau traitement est utilis� en viticulture, la bouillie bordelaise, m�lange de sulfate de cuivre et de chaux. Son r�le : prot�ger la vigne contre le tout dernier fl�au, le mildiou de la vigne, champignon import� du continent am�ricain, qui fit son apparition en Aquitaine en 1878.

Affiche publicitaire de 1903
Cr�dit : Gallica Digital Library

- La vulcanisation du caoutchouc, invention g�n�ralement port�e au cr�dit de l'am�ricain Charles Goodyear (1800-1860), consiste � incorporer du soufre dans le caoutchouc afin d'en am�liorer les qualit�s, le rendant notamment beaucoup plus �lastique et plus r�sistant � la chaleur (sans quoi, il a tendance � devenir visqueux et � se d�former). Goodyear aurait d�couvert le proc�d� par hasard en 1839, en faisant tomber par inadvertance un �chantillon de caoutchouc contenant du soufre dans une po�le. On raconte que dans un geste de col�re, il aurait balanc� le tout par la fen�tre, dans la neige (nous sommes alors en hiver), et constat� que le morceau de caoutchouc refroidi aurait acquis les propri�t�s tant recherch�es. Toujours est-il que malgr� sa d�couverte, Charles Goodyear finira dans la plus extr�me pauvret�, croulant litt�ralement sous les dettes.

- Le bout rouge (ou "bouton") des allumettes de s�ret� contient su soufre, sous forme de sulfure d'antimoine.

- Du t�trahydrothioph�ne, ou plus simplement THT, gaz � l'odeur d�sagr�able, est ajout� aux alcanes (m�thane, butane...) pour en d�tecter les fuites. Sa formule, C₄H₈S, indique clairement la pr�sence de soufre.

- Le bisulfite de calcium intervient dans la fabrication de la p�te � papier, � partir de copeaux de bois. Il est �galement utilis� comme additif alimentaire (E227).

- Le soufre est largement utilis� en m�decine. Ses vertus antiseptiques et d�congestionnantes en font un allier pr�cieux pour lutter contre les probl�mes de la sph�re ORL (rhumes, sinusites...). Il est employ� pour traiter les maladies de peau comme l'ecz�ma et le psoriasis, ainsi que l'acn� juv�nile. Il pr�sente �galement des propori�t�s anti-inflammatoires, utilis�es pour soulager les douleurs rhumatismales. Et n'oublions pas la p�nicilline, m�dicament employ� dans le traitement de certaines infections bact�riennes, dont la mol�cule contient un atome de soufre.

- Les sulfites sont utilis�s comme additifs alimentaires. Non seulement ils permettent une meilleure conservation des aliments (et du vin), mais ils sont �galement utilis�s comme colorants : ce sont eux qui sont responsables de la belle couleur rose du jambon, qui normalement devrait �tre gris, ce qui est moins app�tissant.

Il y aurait encore bien des choses � raconter au sujet du soufre, mais il n'est pas tout seul...

Le s�l�nium (Z = 34)

Le s�l�nium fait partie du 16^�me groupe (16�me colonne) de la classification p�riodique, appel� parfois groupe des chalcog�nes (du grec "chalcos" signifiant "minerai"), auquel appartiennent �galement l'oxyg�ne, le soufre, le tellure et le polonium. Il poss�de 30 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le m�me nombre de protons, mais qui diff�rent par leur nombre de neutrons. connus, parmi lesquels six sont stables : le s�l�nium 74 (⁷⁴Se), le s�l�nium 76 (⁷⁶Se), le s�l�nium 77 (⁷⁷Se), le s�l�nium 78 (⁷⁸Se), le s�l�nium 80 (⁸⁰Se) et le s�l�nium 82 (⁸²Se). L'isotope le plus abondant est le s�l�nium 80 (pratiquement 50%), suivi du s�l�nium 78 (environ 24%). On en trouve relativement peu sur Terre : souvent pr�sent � l'�tat de traces dans les sulfures naturels, il est moins abondant que l'argent dans la cro�te terrestre, et il n'occupe que la 34�me place dans l'eau de mer.

Origine du s�l�nium

Le s�l�nium est produit, � l'instar du brome et du krypton, par capture de neutrons lors d'explosions de supernovae � effondrement de c�ur (supernovae de type II) ou de fusions d'�toiles � neutrons (kilonovae). Le m�canisme qui intervient ici est appel� processus r, la lettre r signifiant qu'il s'agit d'un processus de capture rapide, n�cessitant un flux de neutrons tr�s �lev�.

Un peu d'histoire

le s�l�nium est d�couvert en 1817 par le chimiste su�dois J�ns Jacob Berzelius et son assistant Johan Gottlieb Gahn, dans un r�sidu boueux provenant de la pr�paration de l'acide sulfurique. Pensant d'abord qu'il a affaire � du tellure (isol� en 1798 par Martin Heinrich Klaproth), Berzelius se ravise lorsqu'il comprend qu'il s'agit en fait d'un nouvel �lement. Comme le tellure tire son nom de la d�esse romaine Tellus, l'�quivalent de Ga�a (la Terre) chez les grecs, il fut d�cid� de nommer ce nouvel �l�ment s�l�mium, en r�f�rence � S�l�n�, d�esse de la Lune dans la mythologie grecque.

Propri�t�s du s�l�nium

Le s�l�nium existe sous plusieurs formes allotropiques, c'est-�-dire cristallines, les plus courantes �tant les formes noire, grise et rouge, o� les atomes de s�l�nium s'organisent de diff�rentes fa�ons. Dans la forme grise, majoritaire car plus stable, ils peuvent former de longues cha�nes pouvant en contenir plus de mille. Photosensible, le s�l�nium gris devient l�g�rement conducteur de l'�lectricit� lorsqu'il est expos� � la lumi�re (nous y reviendrons).

Echantillons de s�l�nium — S�l�nium noir, gris et rouge
Cr�dit : Tomihahndorf

D'une densit� proche de 4,8 g/cm³ � 20�C, le s�l�nium gris fond � 221�C, se transformant alors en un liquide noir et visqueux. Assez r�actif, il s'associe facilement aux halog�nes, � l'oxyg�ne ou encore aux m�taux, donnant naissance � des compos�s aux propri�t�s proches de celles des compos�s soufr�s (n'oublions pas que le soufre et le s�l�nium appartiennent � la m�me famille, celle des chalcog�nes).

Le s�l�nium est un oligo�l�ment pr�sent � l'�tat de traces dans le corps humain. Il se retrouve dans la cha�ne alimentaire car il est capt� dans le sol par certains v�g�taux (noix du Br�sil, poix chiches, lentilles, poivrons rouges...). On en trouve �galement dans les oeufs, les rognons, l'ail, le thon, le homard...
Impliqu� dans le m�tabolisme des hormones thyro�diennes, il contribuerait au bon fonctionnement du syst�me immunitaire et aurait des propri�t�s antioxydantes. Une carence en s�l�nium est responsable de la maladie de Keshan, caract�ris�e par des l�sions du myocarde. A contrario, il s'av�re toxique � fortes doses, pouvant entra�ner naus�es, diarrh�es, fragilisation des ongles et perte des cheveux.

Production industrielle du s�l�nium

Comme il n�existe pas � proprement parler de gisement de s�l�nium celui-ci est, � l'instar du tellure, r�cup�r� principalement lors du traitement de minerais riches en sulfure de cuivre. Lors de l'�tape consistant � purifier le cuivre par �lectrolyse, il se forme des boues r�siduelles contenant (entre autres) du s�l�nium et du tellure, m�lang�es � du cuivre. Pour r�cup�rer le s�l�nium, il faut traiter ces boues par grillage (vers 500-600�C), le plus souvent en pr�sence d'acide sulfurique.
Il se forme dans un premier temps du dioxyde de s�l�nium � l'�tat gazeux :

Cu₂Se + 6 H₂SO₄ ---> SeO₂(g) + 2 CuSO₄(s) + 6 H₂O(g) + 4 SO₂(g)

Le dioxyde de s�l�nium est ensuite r�duit par le dioxyde de soufre :

SeO₂(g) + 2 SO₂(g) + 2 H₂O(liq) ---> Se(s) + 2 H₂SO₄(liq)

Les principaux producteurs de s�l�nium sont la Chine (largement en t�te, avec 1300 tonnes en 2022), le Japon, la Russie, l'Allemagne et la Belgique (200 t en 2022).

Quelques exemples d'utilisation du s�l�nium

- Une fine couche de s�l�nium (du tris�l�nure d'arsenic pour �tre exact) recouvre le tambour (cyclindre) des photocopieurs, tambour sur lequel est diffus�e une charge �lectrostatique positive. Dans le noir, le s�l�nium est isolant, mais il devient conducteur en pr�sence de lumi�re, ce qui permet d'�liminer la charge �lectrique. La poudre noire contenue dans le toner, charg�e n�gativement, est attir�e uniquement par les r�gions du tambour o� la charge �lectrique est rest�e (donc dans les zones d'ombre), avant d'aller se d�poser sur les feuilles de papier que l'on souhaite imprimer. Dans les appareils r�cents, le s�l�nium a toutefois tendance � �tre remplac� par le silicium.

- Certaines cellules photovolta�ques dites "couches minces" sont constitu�es de couches tr�s fines de dis�l�niure de cuivre et d'indium. Leur rendement est assez m�diocre, mais elles pr�sente l'avantage d'�tre peu co�teuses.

- En photographie, des posem�tresUn posem�tre est un appareil qui permet de mesurer la luminosit� afin de d�terminer le meilleur temps de pose. au s�l�nium ont �t� utilis�s dans les ann�es 1950-60.

- En verrerie, le s�l�nium permet de masquer la couleur verte du verre (due � la pr�sence de fer).

- Le pigment appel� rouge de cadmium est un s�l�nio-sulfure de cadmium.

J'en oublie certainement, mais est-ce grave ?

Astronomie pour les myopes - Mentions l�gales