L'étude des corps gazeux, en particulier ceux présentant une coloration jaune, révèle un éventail de composés chimiques aux propriétés et aux applications diverses. Cet article explore la composition, les méthodes de production et les utilisations de certains de ces gaz, en mettant l'accent sur des exemples concrets et des données scientifiques.
Le Dioxygène (O2) : Un Gaz Vital
Le dioxygène est indispensable à la vie sur terre. Il est l'élément le plus répandu sur terre, en termes de pourcentage de volume et de masse. Il est principalement extrait des gaz de l’air par distillation cryogénique.
Production du Dioxygène
La production industrielle du dioxygène repose sur différentes méthodes, dont la distillation cryogénique et l'adsorption modulée en pression (VPSA).
Distillation Cryogénique
La distillation cryogénique est le procédé le plus utilisé pour obtenir du dioxygène pur. Les températures critiques du diazote (tc = - 146,9°C) et du dioxygène (tc = - 118,4°C) ne permettent pas la liquéfaction de l’air par simple compression. L’air, comprimé entre 5 et 7 bar, est filtré, séché, décarbonaté par adsorption sur tamis moléculaires puis refroidi par échange thermique entre le gaz entrant et les gaz liquéfiés. La distillation, dans le procédé le plus utilisé, est effectuée dans une double colonne qui permet d’obtenir, en continu, des gaz purs. La première colonne, sous une pression moyenne de 5 bar, réalise une première séparation de l’air en diazote gazeux pur (99,999 %) au sommet et un liquide riche en dioxygène, avec une teneur d’environ 40 %, à la base, qui est envoyé à mi-hauteur de la deuxième colonne sous une pression basse de 1,3 bar. Le dioxygène à 99,5-99,7 % est récupéré à la base de cette colonne. Les colonnes ont entre 1 et 6 m de diamètre et de 15 à 25 m de hauteur. Elles sont en acier inoxydable ou en aluminium et comportent une centaine de plateaux.
En France, la première production industrielle de dioxygène a été effectuée par Georges Claude, le 23 avril 1905 à Boulogne-Billancourt. La distillation des gaz de l’air produit simultanément O2, N2, ainsi que des gaz rares, le principal étant l’argon, avec une teneur de 0,93 % en volume dans l’air. Début 2018, est entré en production une unité de 5 000 t O2/jour, la plus importante dans le monde, construite et exploitée par Air Liquide, à Secunda, en Afrique du Sud, afin d’approvisionner le groupe chimique Sasol.
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Adsorption Modulée en Pression (VPSA)
Une autre méthode de production est le VPSA (Vacuum Pressure Swing Adsorption) ou adsorption par alternance de pression et vide. Exemple de l’usine Air Liquide de Seraing (Liège, Belgique) connectée au réseau nord européen de cette société. L’air, à la pression atmosphérique, après séchage et épuration par filtration, passe dans une colonne de zéolithes qui adsorbent plus rapidement N2 que O2. Les zéolites, par kg, peuvent fixer 10 L de diazote. Lorsqu’elles sont saturées, l’air est envoyé sur une seconde colonne, pendant que le N2 de la première colonne désorbe sous vide. La pureté de O2 obtenu ainsi par élimination de N2 peut atteindre 90 à 95 %. Il contient 4,5 % d’argon qui comme O2 n’est pas adsorbé. La consommation d’énergie est de 0,4 à 0,5 kWh/m3 de O2.
Transport du Dioxygène
Le dioxygène produit industriellement est acheminé par divers moyens :
- Par oxyducs : en France, environ 45 % de la production industrielle de dioxygène est acheminée par canalisation.
- Comprimé en bouteilles, à 200 bar : environ 20 % de la production française.
Acteurs Majeurs du Marché
Plusieurs entreprises dominent le marché de la production et de la distribution de dioxygène :
- Linde : AGA (Suède) et BOC (Royaume-Uni) ont été racheté par Linde respectivement en 2000 et 2006. La fusion entre Linde et Praxair est effective depuis fin 2018. Le groupe après fusion est devenu n°1 mondial des gaz industriels avec environ 24 % du marché. Linde exploitait 320 grandes unités cryogéniques de séparation des gaz de l’air, dont 150 en Europe, Moyen Orient et Afrique, 110 en Asie, Pacifique et 60 en Amériques. Praxair était n°1 des gaz industriels en Amérique du Nord et du Sud et exploitait, en Europe, 60 grandes unités cryogéniques de séparation des gaz de l’air et 3 pipeline, au Nord de l’Espagne et en Allemagne dans la région rhénane et la Sarre. Exploitait en Amérique du Sud 50 grandes unités cryogéniques de séparation des gaz de l’air et 50 en Asie.
- Air Liquide : suivi par Air Liquide avec 18 % du marché. Dans le monde, les capacités de production du groupe sont de plus de 130 000 t/jour, avec, en 2021, 373 grandes unités cryogéniques de séparation des gaz de l’air, dont 22 en Allemagne. Air Liquide : 14 usines cryogéniques de séparation des gaz de l’air, en métropole et une usine à Kourou, en Guyane.
- Air Products avec 7 % du marché. Messer : à Beauvais (60), avec 300 t/jour, en association avec Air Products et Saint-Herblain (44), avec 300 t/jour, en association avec Linde.
Applications du Dioxygène
Le dioxygène trouve de nombreuses applications dans divers secteurs industriels et médicaux :
- Sidérurgie : C’est le principal secteur d’utilisation du dioxygène, dans l’élaboration de l’acier dans les convertisseurs mais aussi dans les hauts fourneaux. Cette industrie utilise environ la moitié de la production de O2 (la consommation est d’environ 60 m3 de O2 par t d’acier).
- Combustions : Le remplacement de l’air par le dioxygène pur permet d’atteindre des températures plus élevées, d’économiser de l’énergie (le volume de diazote non utilisé n’est pas chauffé) et d’éviter la pollution due aux poussières entraînées par le diazote rejeté dans l’atmosphère et à la formation d’oxydes d’azote.
- Électronique : Pour la fabrication de SiO2 sur les wafers de silicium.
- Santé : Dans l’oxygénothérapie pour l’assistance respiratoire, en réanimation, en anesthésie. La consommation humaine est de 3 000 à 5 000 L d’air par 24 heures. Au repos, la consommation est de 0,2 L.min-1, elle passe à près de 4 L.min-1 lors d’un effort intense. L’homme peut respirer une atmosphère contenant entre 14 % et 75 %, en volume, de dioxygène. En dessous de 7 %, des troubles graves apparaissent, en dessous de 3 %, c’est l’asphyxie. Au-dessus de 75 % les symptômes d’hyperoxie apparaissent et il y a danger de mort. De même, O2 est toxique s’il est respiré à une pression supérieure à 0,17 MPa soit sous 7 m de profondeur sous l’eau.
- Blanchiment de la pâte à papier : Le dioxygène est utilisé, après lessivage à la soude (voir le chapitre hydroxyde de sodium), afin d’éliminer une partie (environ la moitié) de la lignine restant dans la cellulose. C’est cette lignine qui est responsable de la couleur jaune de la pâte.
- Traitement de l’eau : Oxygénation de la Seine en aval de Paris, au pont d’Argenteuil, par injection de plus de 200 000 L/h de O2, afin de créer une zone de refuge pour les poissons, en cas de pollution brutale.
- Propulsion spatiale : Il est utilisé comme comburant de propulsion spatiale. Le moteur Vulcain du premier étage d’Ariane V utilise 27 t de H2 stocké liquide à 20 K et 132 t de O2 stocké liquide à 91 K. La combustion dure 600 secondes. La poussée (1 120 kN) est obtenue par éjection à grande vitesse du gaz (250 kg/s) produit par la combustion à haute pression (108 bar) et haute température (3 500 K). Les réservoirs du lanceur des navettes spatiales américaines contenaient 1 892 500 L de H2 liquide et 1 324 750 L de O2 liquide. De plus, des moteurs auxiliaires à H2 et O2 fournissaient l’électricité de la navette et servaient à l’allumage des moteurs qui ajustaient la trajectoire de la navette et permettaient de revenir sur terre. Dans ce cas, O2 est à 99,999 % et la quantité utilisée est de l’ordre de 50 t. L’oxygène liquide a été également utilisé comme explosif en présence de combustibles divers (paraffine, sciure de bois, noir de fumée…).
Le Chlore (Cl2) : Un Gaz Jaune Verdâtre Réactif
Le chlore, découvert en 1774 par Scheele, est un gaz jaune verdâtre d'odeur forte et suffocante, dangereux à respirer, facile à liquéfier. Le chlore est assez soluble dans l'eau (eau de chlore). Il possède une très grande activité chimique ; il se combine, souvent à froid, à la plupart des autres corps simples, en jouant le rôle d'un élément électronégatif monovalent.
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Propriétés Chimiques du Chlore
- Avec l'hydrogène il donne du chlorure d'hydrogène HCl.
- Il décompose de nombreux hydrocarbures, en particulier l'acétylène, qui s'enflamme à son contact.
- Gazeux, il attaque la plupart des métaux et des composés métalliques.
- Avec la soude en solution diluée, à froid, il donne un mélange de chlorure et d'hypochlorite de sodium appelé eau de Javel.
- La plupart des non-métaux se combinent au chlore, par exemple l'iode, le soufre, le phosphore ; seuls l'oxygène, l'azote et le carbone sont sans action.
Production du Chlore
Le chlore existe dans la nature sous forme de chlorures métalliques, dont le plus important est le chlorure de sodium NaCl (sel marin et sel gemme), à partir duquel on le prépare, dans l'industrie, par électrolyse. Le chlore gazeux (Cl2), formé de deux atomes de chlore, est fabriqué industriellement mais n'existe pas tel quel dans la nature.
Composés Dérivés du Chlore
- L'anhydride hypochloreux Cl2O est un gaz jaune qui se décompose au contact des corps avides d'oxygène (hydrogène, phosphore) ou de chlore (métaux).
- L'acide hypochloreux HClO, qui lui correspond, n'est connu qu'en solution mais les hypochlorites figurent dans l'eau de Javel et dans le chlorure de chaux, produits décolorants et désinfectants.
- Le dioxyde de chlore ClO2 donne des chlorites et des chlorates au contact des alcalis.
- L'acide chlorique HClO3 n'est connu qu'en solution mais ses sels, les chlorates, sont des corps cristallisés. Décomposés par la chaleur en chlorure, oxygène et perchlorates, ils entrent dans la composition des poudres d'amorces et de pétards.
- L'anhydride perchlorique Cl2O7 et l'acide perchlorique HClO4 sont les composés les plus riches en oxygène. Les perchlorates ont des propriétés analogues à celles des chlorates.
Présence et Effets du Chlore
Dans la nature et dans l'organisme, le chlore est présent sous forme de sels, surtout de chlorure de sodium (sel de table). Le sang humain contient environ 100 millimoles de chlorure par litre. Le chlore entre dans la composition de l'eau de Javel, désinfectant très actif de l'eau et des surfaces. Un effet caustique plus ou moins marqué existe pour tous les produits à base de chlore. Ceux-ci sont irritants pour la peau et surtout pour les muqueuses, et extrêmement toxiques en cas d'ingestion accidentelle.
Autres Gaz et Polluants Atmosphériques
Outre le dioxygène et le chlore, d'autres gaz et polluants atmosphériques peuvent présenter une coloration jaune ou avoir un impact significatif sur l'environnement et la santé.
Oxydes d'Azote (NOx)
Les NOx sont des gaz hautement réactifs, contenant de l’azote et de l’oxygène. Les principaux émetteurs de NOx sont le transport routier et les grandes installations de combustion (chauffages, centrales thermiques). Il existe également des sources naturelles comme les volcans ou les incendies de forêt. Les NOx peuvent s’associer à l’eau pour produire de l’acide nitrique, responsable des pluies acides. Le NO2 est très toxique et pénètre facilement dans l’appareil respiratoire. Les molécules pénètrent ensuite facilement les bronchioles et peuvent affecter la respiration et provoquer une hyperréactivité bronchique, notamment chez les asthmatiques. Le NO est un gaz irritant pour les bronches et réduit le pouvoir d’oxygénation du sang.
Impact de la Pollution Atmosphérique
La pollution atmosphérique est un problème majeur qui affecte la qualité de l'air et la santé humaine. On a coutume de dire que l’air est composé de 78% d’azote, de 21% d’oxygène et de 1% de composés divers (argon, dioxyde de carbone, gaz rares…). Les polluants représentent moins de 0.05% de cette composition, ce qui peut sembler très faible. Et c’est un fait : le transport et le trafic routier, le chauffage des bâtiments, l’agriculture, la gestion des déchets et la production industrielle sont des facteurs très importants de pollution atmosphérique.
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Sources de Pollution
- Trafic routier : Les principaux polluants par le trafic routier sont les COV, les oxydes d’azote - considérés comme de bons traceurs de la pollution automobile - mais aussi les particules en suspension dont le trafic routier représente la source anthropique la plus importante. Ces particules sont issues des imbrûlés à l’échappement, des pneumatiques (qui perdent 10% de leur masse au cours de leur vie) et surtout de l’usure des pièces mécaniques. Le transport routier est une source d’émission importante principalement à cause des véhicules diesels. Tout d’abord classés cancérogènes probables pour l’homme (groupe 2A), les gaz d’échappement des moteurs diesels sont désormais classés cancérogènes certains pour les humains (groupe 1) depuis juin 2012 par l’OMS (Organisation Mondiale de la Santé). Les experts ont estimé qu’il y avait à présent suffisamment de preuves démontrant qu’une exposition aux gaz d’échappement de moteurs diesel est associée à un risque accru de cancer du poumon.
- Installations de combustion : Dans ce domaine, les plus grandes sources de pollution sont les installations de combustion (charbon, gaz, déchets, bois, etc.) telles que les centrales thermiques ou les incinérateurs.
- COV : De plus, une grande partie des émissions de COV est issue de sources naturelles, mais cette part devient minoritaire dans les régions industrialisées.
Effets sur la Santé
Les polluants sont des gaz ou des particules irritants et agressifs qui pénètrent plus ou moins profondément dans l’appareil respiratoire et peuvent se diffuser dans l’organisme.
- Effets à court terme : Ce sont des manifestations cliniques, fonctionnelles ou biologiques survenant dans des délais bref (allant jusqu’à quelques semaines). Il s’agit le plus souvent d’affections respiratoires, notamment chez l’enfant (asthme, bronchiolite) ou des irritations (yeux, peau, muqueuses). On observe une augmentation de ces pathologies lors de pics de pollution.
- Effets à long terme : Ils surviennent après une exposition chronique, parfois après plusieurs années. Selon l’OMS (Organisation Mondiale de la Santé), la pollution atmosphérique en milieu urbain serait responsable d’1,3 million de décès chaque année dans le monde, surtout dans les pays en voie de développement.
Particules en Suspension
- PM10 : Leur diamètre est inférieur à 10µm.
- PM1.0 : Leur diamètre est inférieur à 1µm, ce sont les particules très fines. Ces particules peuvent rester dans l’air durant une semaine et être transportées sur de longues distances.
- PM0.1 : Leur diamètre est inférieur à 0.1µm, ce sont les particules ultrafines ou nanoparticules.
Les particules de plus de 10µm de diamètre sont retenues par les voies aériennes supérieures (nez, bouche) et ne pénètrent pas dans les poumons. Les PM10 peuvent pénétrer dans les bronches. Récemment, l’Institut de veille Sanitaire a montré les résultats d’une étude démontrant l’impact néfaste de la pollution aux particules fines sur la santé. Ces microparticules sont émises principalement par les véhicules roulant au diesel et sont à l’origine de 15% des asthmes chez l’enfant.
L'Hélium (He) : Un Gaz Noble Incolore
L'hélium est un élément chimique gazeux, symbole: He, nombre atomique: 2 et poids atomique 4.0026. L'hélium est un des gaz nobles du groupe O dans la table périodique. C'est le deuxième élément le plus léger. La source principale d'hélium dans le monde est une série de champs du gaz naturel aux Etats-Unis. L'hélium est un gaz sans couleur, inodore et insipide. Il est moins soluble dans l'eau que tout autre gaz. C'est l'élément le moins réactif et il ne forme généralement pas de composés chimiques.
Propriétés Physiques et Chimiques de l'Hélium
La densité et la viscosité de la vapeur d'hélium sont très basses. La conductivité thermique et le contenu calorique sont exceptionnellement hauts. L'hélium peut être liquéfié, mais sa température de condensation est la plus basse parmi toutes les substances connues.
Applications de l'Hélium
L'hélium était le premier gaz utilisé pour remplir ballons et dirigeables. Cette application continue dans la recherche d'altitude et pour les ballons météorologiques. L'utilisation principale de l'hélium est un gaz de protection inerte dans la soudure autogène. Son plus grand potentiel est trouvé dans les applications aux températures très basses. L'hélium est le seul refroidisseur qui est capable d'atteindre les températures plus basses que 15 K (-434ºF). L'application principale des températures très basses est dans le développement de l'état de superconductivité, dans lequel la résistance au flux de l'électricité est presque nulle. D'autres applications sont ses utilisations comme pressurisant le gaz dans les propulseurs liquides pour des fusées, dans des mélanges d'hélium-oxygène pour des plongeurs, comme fluide de fonctionnement dans des réacteurs nucléaires refroidis par le gaz et comme porteur de gaz dans l'analyse chimique par chromatographie en phase gazeuse.
Origine et Abondance de l'Hélium
L'hélium est formé dans la terre par l'affaiblissement radioactif normal des éléments plus lourds. La plupart de cet hélium émigre à la surface et entre dans l'atmosphère. Il est logique de penser que la concentration en hélium dans l'atmosphère était plus élevée qu'elle n'est (5.25 parties par million au niveau de la mer). Néanmoins, son faible poids moléculaire lui permet de s'échapper dans l'espace au même taux que sa formation. Les gaz naturels contiennent des concentrations plus élevées en hélium que l'atmosphère.
Effets de l'Hélium sur la Santé
Effets d'exposition: La substance peut être absorbée dans le corps par inhalation. Inhalation: Vertige. Mal de tête. Suffocation. Peau: si contact avec le liquide: gelure. Yeux: si contact avec le liquide: gelure. Risque d'inhalation: ce gaz peut causer le suffocation en abaissant la teneur en oxygène de l'air dans des secteurs confinés. Vérifiez le contenu d'oxygène avant d'entrer dans le secteur.
L'Azote (N2) : Un Gaz Essentiel
Corps gazeux (N2) à la température ordinaire, qui constitue environ les quatre cinquièmes en volume de l'air atmosphérique. L'azote a été découvert en 1772, par Daniel Rutherford et identifié comme corps simple par Antoine Laurent de Lavoisier en 1775. L'azote existe à l'état libre dans l'air, dont il constitue environ 78 % en volume, sous forme de molécules diatomiques (diazote N2). On le trouve également combiné dans les nitrates et les sels ammoniacaux.
Propriétés de l'Azote
L'azote est un gaz incolore et inodore, difficile à liquéfier et peu soluble dans l'eau. À basse température, il est sans activité chimique, d'où son nom, mais le devient à haute température, où il passe à l'état monoatomique. Certaines de ses réactions sont d'une extrême importance, à cause du rôle que jouent ses composés dans la nature et dans l'industrie. Avec l'hydrogène à chaud, il donne de l'ammoniac, par une réaction réversible. Dans l'industrie, cette réaction de synthèse est réalisée à 550 °C, sous haute pression avec un catalyseur.
Production de l'Azote
Dans l'industrie, la matière première, abondante et gratuite, est l'air. Par distillation fractionnée de l'air liquide, on obtient de l'azote qui renferme un peu d'oxygène, d'argon, de l'hélium et du néon du mélange de départ. On peut également priver l'air de son oxygène en l'utilisant pour la combustion du charbon ; on obtient alors de l'azote qui contient tous les gaz rares de l'air. Cet azote atmosphérique est livré en bouteilles d'acier, sous 200 atmosphères environ. Pour obtenir de l'azote pur (azote chimique), on chauffe vers 70 °C du nitrite d'ammonium.
Composés de l'Azote
- C'est un gaz incolore et inodore, assez facile à liquéfier, produisant une excitation cérébrale (gaz hilarant) puis une anesthésie.
- C'est un gaz incolore, difficile à liquéfier qui se décompose complètement au rouge vif et présente alors des propriétés comburantes. Au contact de l'oxygène, il s'oxyde spontanément en donnant de l'anhydride nitreux et du peroxyde d'azote. Il réduit ainsi le permanganate de potassium, l'acide nitrique concentré, etc. Il est obtenu dans l'industrie par synthèse directe dans l'arc électrique ou par oxydation catalytique de l'ammoniac, mais est aussitôt transformé en acide nitrique ou en acide nitreux.
- L’anhydride nitreux est obtenu à l'état liquide en mélangeant et en condensant des volumes égaux d'oxyde nitrique et de dioxyde d'azote. C'est un liquide bleu, qui bout vers 3 °C et qui se solidifie à − 102 °C. Très instable, il émet des vapeurs rutilantes, mélange de NO, de NO2 et de N2O2. Il possède à la fois les propriétés de l'oxyde nitrique et du dioxyde d'azote, c'est-à-dire qu'il peut se comporter comme un oxydant ou comme un réducteur (oxydoréduction). C'est un anhydride vrai qui correspond à l'acide nitreux HNO2.
- L’anhydride nitrique est préparé en déshydratant l'acide nitrique par l'anhydride phosphorique. C'est un solide blanc qui fond vers 30 °C en se décomposant. Le liquide obtenu est un mélange de N2O4 et N2O5. C'est un oxydant et un anhydride vrai. L'acide correspondant est l'acide nitrique (ou trioxonitrique V). L'anhydride nitrique est nommé aussi anhydride azotique.
L'azote est un élément essentiel des acides aminés, l'un des quatre constituants universels de la matière vivante, avec le carbone, l'hydrogène et l'oxygène. Il constitue environ 80 % de la masse de l'atmosphère, mais seules quelques espèces vivantes dites prototrophes (bactéries libres ou symbiotiques du sol, cyanophycées) sont capables de l'absorber utilement. Les phototrophes (plantes vertes) se procurent l'azote dans l'eau ou dans le sol, surtout sous forme de nitrates.
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