Cycle du carbone

Le carbone est piégé en partie par certains écosystèmes. Les océans le fixent au travers de la synthèse du phytoplancton et la fabrication par certains organismes de coquilles qui se sédimentent au fond de la mer. Le CO₂ se dissout dans les eaux froides. La végétation forestière séquestre le CO₂ lors de la photosynthèse et la décomposition de la biomasse a permis jusqu’à présent de piéger 90 millions de Gt de carbone sous forme d’énergie fossile (charbon, pétrole, gaz naturel).

Cycle simplifié du carbone

Le dioxyde de carbone est un gaz inodore, incolore qui se produit naturellement dans l’atmosphère à la température ambiante, avec des concentrations d’environ 0,037%. Selon la température et la pression, le CO₂ se présente sous 3 états distincts. Le CO₂ est dans une phase supercritique à des températures supérieures à 31,1°C et à des pressions supérieures à 7,38 MPa (valeurs du point critique). Dans des conditions de température et de pression inférieures à ces valeurs, le CO₂ sera à l’état gazeux, à l’état liquide ou à l’état solide.

À pression atmosphérique, il se sublime à -78,5°C (passage de l'état solide à l'état gazeux), mais ne fond pas (passage de l'état solide à l'état liquide). La phase liquide ne peut exister qu'à une pression minimale de 0,5 MPa, et dans un intervalle de température allant de -56,6°C (point triple) à 31,1°C au maximum à 7,38 MPa (point critique).

Diagramme de phase du CO₂

Solubilité aqueuse

 Le CO₂ se dissout dans l’eau et y forme de l’acide carbonique H₂CO₃ :

CO₂ (aq) + H₂O(l)   H₂CO₃ (aq), avec Kh = [H₂CO₃] / [CO₂] ≈ 1,70×10-3 à 25 °C

Cette réaction est réversible donc l’acide carbonique formé se redécompose facilement en H₂O et CO₂. Mais, en milieu basique (soude, potasse...), l’acide carbonique est déprotoné pour former un ion hydrogénocarbonate (HCO₃^–), aussi appelé ion bicarbonate, puis un ion carbonate (CO₃^2–). De cette façon, la solubilité du CO₂ est considérablement augmentée.

CO₂ + CO₃^2– + H₂O    2 HCO₃^– 

La solubilité du CO₂ augmente lorsque la température diminue. Elle est plus forte dans l’eau de mer que dans l’eau pure car l'eau de mer contient naturellement des ions carbonate.

Sous forme gazeuse
Le CO₂ a beaucoup d’utilisations : composant pétillant dans les boissons gazeuses ; en culture sous serre pour une meilleure croissance des plantes ; solubilisation du  calcaire dans les eaux dures.

Sous forme liquide            
Le CO₂ est utilisé entre autres comme : réfrigérant dans l’industrie alimentaire et dans l’industrie électronique ; agent d’extinction dans les extincteurs dits « au dioxyde de carbone », ou «  neige carbonique ». À pression atmosphérique, le dioxyde de carbone n’est jamais sous forme liquide. Il passe directement de la forme solide à la forme gazeuse (sublimation).

Sous forme solide              
Le dioxyde de carbone sous forme solide a de nombreuses appellations : « glace carbonique », « carboglace™ », « glace sèche ». Il est issu de la solidification du CO₂ liquide. On obtient de la neige carbonique qui est ensuite comprimée pour obtenir de la glace carbonique. Cette glace carbonique se sublime sans laisser de résidu. Sous sa forme solide, le CO₂ est très utilisé en tant que réfrigérant.

Structure cristalline de la neige carbonique, cubique faces centrées (source Wikipedia)

Granulats de carboglace™ se sublimant à l’air (source Wikipedia)

En phase supercritique     
Au-delà de son point critique, le dioxyde de carbone entre dans une phase appelée supercritique. La courbe d'équilibre liquide-gaz est interrompue au niveau du point critique, assurant à la phase supercritique un continuum des propriétés physico-chimiques sans changement de phase. C'est une phase aussi dense qu'un liquide mais assurant des propriétés de transport (viscosité, diffusion) proches de celles d'un gaz. Le dioxyde de carbone supercritique est utilisé comme solvant vert, les extraits étant exempts de trace de solvant. Sous cette forme, il sert notamment :

•  à l’extraction de composés chimiques ou biologiques ;
•  à la purification de composés chimiques ;
•  pour le transport et le stockage lors de la séquestration géologique du dioxyde de carbone.

Toxicité

L'air contient aujourd'hui environ 0,04% de CO₂. À partir d'une certaine concentration dans l'air, ce gaz s'avère nocif voire mortel. La valeur limite d'exposition est de 3% sur une durée de 15 minutes. Cette valeur ne doit jamais être dépassée. Au-delà, les effets sur la santé sont d'autant plus graves que la teneur en CO₂ augmente. Ainsi, à 4%, la fréquence respiratoire s'accélère. À 10%, peuvent apparaître des troubles visuels, des tremblements et des sueurs. À 15%, c'est la perte de connaissance brutale et à 25%, un arrêt respiratoire entraîne la mort.

L’illustration ci-dessous montre les différentes sources, qui sont de deux types : naturelles ou liées à l’activité humaine.

Sources et puits de carbone (©CO2CRC)

Les sources naturelles d'émissions de CO₂ dans l'atmosphère sont d’origine :

• volcanique (éruptions, dégazage de magma) ;
• hydrothermale (dégazage de CO₂) ;
• phréatique (explosions) ;
• lagunaire (lacs à l'eau supersaturée en CO₂) ;
• sédimentaire (bassins contenant du CO₂ d'une pureté > 90 % ; zone de faible activité tectonique ou volcanique ; l'évasion aérienne du CO₂ est due à une surpression, à des fissures dans la roche, à une porosité de celle-ci).

On trouve du CO₂ piégé par la roche au cœur des bassins sédimentaires, ce depuis des millions d'années. Lorsque des accidents naturels d'évasion de CO₂ surviennent, ils peuvent être mortels et ont un énorme impact sur l'écosystème local. L'impact est moins important que dans les régions soumises à un régime volcanique. Du CO₂ dissous naturellement dans la roche peut émerger sous forme de composés carbonés dans l'eau de source. Dans de nombreuses régions du monde (Islande, plateau du Colorado, Hongrie …) les geysers (eau chaude rejetée dans les airs, avec du CO₂, due à une surpression dans l'aquifère) constituent des attractions touristiques.

En août 1986, l'éruption lagunaire de CO2 du lac Nyos (Cameroun) tue 1746 personnes
Dans l'atmosphère, plus d'un million de tonnes de CO2 sont rejetées (source essperans.fr et Wikipedia)

Les émissions de CO₂ dues aux activités humaines sont surtout produites lors de la combustion de matières fossiles dans divers secteurs. La répartition de ces émissions est représentée par le diagramme ci-dessous.

Répartition par activité des émissions de CO2 en 2004 (source IPCC, www.manicore.com)

Bien que réparties sur la totalité du globe terrestre, les émissions sont particulièrement concentrées dans quatre régions : l'Amérique du Nord, l'Europe, l'Asie de l'Est et l'Asie du Sud.

Interactions entre molécules de CO₂ et molécules de H₂O

Dans l'océan, les interactions entre molécules de dioxyde de carbone et molécules d'eau prennent de l'importance. On pourra se reporter à la page modélisation moléculaire.