Synergie : science et technologie : applications technologiques et scientifiques, 2e cycle du secondaire [2-2] 9782765204671

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Synergie : science et technologie : applications technologiques et scientifiques, 2e cycle du secondaire [2-2]
 9782765204671

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2e cycle du secondaire • 2e année

Manuel de l’élève ■ ■





Ivan Couture Olivier Peyronnet

CHENELIÈRE ÉDUCATION

Science et technologie Science et technologie de l’environnement Applications technologiques et scientifiques Science et environnement

2e cycle du secondaire • 2e année

Manuel de l’élève

Ivan Couture Olivier Peyronnet Avec la collaboration de Ahmed Bensaada Marie-Hélène Tougas

■ ■





CHENELIÈRE ÉDUCATION

Science et technologie Science et technologie de l’environnement Applications technologiques et scientifiques Science et environnement

Synergie Science et technologie Science et technologie de lʼenvironnement Applications technologiques et scientifiques Science et environnement 2e cycle du secondaire, 2e année Manuel de lʼélève Ivan Couture, Olivier Peyronnet Avec la collaboration de Ahmed Bensaada et Marie-Hélène Tougas © 2009 Chenelière Éducation inc.

Édition : Virginie Krysztofiak, Paul Ste-Marie Coordination : Caroline Bouffard, Ginette Gratton, Anne Lavigne, Anne Melançon, François Moreault, Samuel Rosa, Simon St-Onge Révision linguistique : Nicole Blanchette, Louise Blouin Correction d’épreuves : Renée Bédard, André Duchemin Conception graphique et infographie : Dessine-moi un mouton Conception de la couverture : Dessine-moi un mouton Illustrations techniques : Late Night Studio, Marc Tellier, Martin Gagnon, Michel Rouleau, Polygone Studio Cartographie : Yanick Vandal, Groupe Colpron Recherche iconographique : Marie-Chantal Laforge, Patrick St-Hilaire Impression : Imprimeries Transcontinental

CHENELIÈRE ÉDUCATION

7001, boul. Saint-Laurent Montréal (Québec) Canada H2S 3E3 Téléphone : 514 273-1066 Télécopieur : 450 461-3834 / 1 888 460-3834 [email protected]

TOUS DROITS RÉSERVÉS. Toute reproduction, en tout ou en partie, sous toute forme ou média et par quelque procédé que ce soit, est interdite sans lʼautorisation écrite préalable de Chenelière Éducation inc. ISBN 978-2-7652-0467-1 Dépôt légal : 1er trimestre 2009 Bibliothèque et Archives nationales du Québec Bibliothèque et Archives Canada Imprimé au Canada 3 4 5 6 7 ITIB 14 13 12 11 10 Nous reconnaissons lʼaide financière du gouvernement du Canada par lʼentremise du Programme dʼaide au développement de lʼindustrie de lʼédition (PADIÉ) pour nos activités dʼédition. Gouvernement du Québec – Programme de crédit dʼimpôt pour lʼédition de livres – Gestion SODEC.

Remerciements Pour leur précieuse participation à la rédaction, lʼÉditeur tient à remercier pour le chapitre Univers matériel : Guillaume Drouin, Yvan Dutil, Denis Fourt, Karine Gendron, LouisCharles Rainville ; pour le chapitre Terre et espace : Geneviève Bélanger, Marie-France Gévry, Sybille Pluvinage ; pour le chapitre Univers vivant : Inés Escrivá, Étienne Laurence, Sybille Pluvinage, Julie Vézina ; pour le chapitre Univers technologique : Inés Escrivá, Denis Fourt. Pour son précieux travail de consultation, lʼÉditeur tient à remercier Claudie Chartré. Pour leur précieuse expertise et la révision scientifique du chapitre Introduction : Geneviève Lefebvre (Cégep de Sherbrooke), David Marra-Hurtubise (CSMI) ; du chapitre Univers matériel : Éric Athlan (Collège Ahuntsic), Patrick Fokom, Denis Fourt, Guy Lapointe, Raynald Pepin (Collège Ahuntsic), Chantal Racine (Collège Ahuntsic) ; du chapitre Terre et espace : Frank Berninger (UQÀM), Pierre Chastenay (Sciences Conseil), Éric Girard (UQÀM), Judith GrangerGodbout, René Laprise (UQÀM, ESCER), Élise Naud, Gilbert Prichonnet (UQÀM) ; du chapitre Univers vivant : Geneviève Lebel, Geneviève Lefebvre (Cégep de Sherbrooke), Élise Naud, Chantal Racine (Collège Ahuntsic) ; du chapitre Univers technologique : Pierre Crépeau (CFP des Moulins), Denis Domingue, Denis Fourt, Guy Lapointe, Chantal Racine (Collège Ahuntsic), Guillaume Trudel (Collège Ahuntsic).

TABLE DES MATIÈRES

Les concepts des programmes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII L’organisation du manuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X

INTRODUCTION

PROBLÉMATIQUES ENVIRONNEMENTALES Problématique 1 Problématique 2 Problématique 3 Problématique 4 Problématique 5 Problématique 6

CHAPITRE

– – – – – –

Les changements climatiques . . . . . . . 4 L’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 L’eau potable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 La déforestation . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Les matières résiduelles. . . . . . . . . . 12 La production alimentaire. . . . . . . . . 14

1

UNIVERS MATÉRIEL RAPPEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 SECTION 1 L’organisation de la matière . . . . . . . . . . 1.1 Le modèle atomique de Rutherford-Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Le modèle atomique simplifié et le neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 La notation de Lewis . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Les familles et les périodes du tableau périodique . . . . . . . . . . . . . 1.5 La masse atomique relative et les isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6 La périodicité des propriétés. . . . . . . . 1.7 La notion de mole et le nombre d’Avogadro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25 28 33 35

SECTION 2 Les propriétés des solutions. . . . . . . . . . 2.1 Les ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 La dissolution et la solubilité . . . . . . . 2.3 La concentration et la dilution . . . . . . 2.4 La conductibilité électrique et les électrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 La dissociation électrolytique . . . . . . . 2.6 L’échelle pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59 60 62 68 73 76 82

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 SECTION 3 Les transformations chimiques . . . . . . . 87 3.1 La loi de la conservation de la masse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.2 Le balancement d’équations chimiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.3 La stœchiométrie. . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.4 La nature de la liaison. . . . . . . . . . . . . 96 3.5 Les règles de nomenclature et d’écriture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.6 La neutralisation acidobasique . . . . . 102 3.7 La synthèse, la décomposition et la précipitation . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.8 Les réactions endothermiques et exothermiques . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.9 L’oxydation et la combustion . . . . . . . 109 3.10 La photosynthèse et la respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

36 45 48 51

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

SECTION 4 Les transformations nucléaires . . . . . . 4.1 La stabilité nucléaire . . . . . . . . . . . . . 4.2 La radioactivité . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 La fission et la fusion nucléaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

119 120 121 127

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Table des matières

III

SECTION 5 Les forces et les mouvements. . . . . . . . 5.1 La force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 L’équilibre de deux forces . . . . . . . . . 5.3 La relation entre la vitesse constante, la distance et le temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

133 134 137

138

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 SECTION 6 Les transformations de l’énergie . . . . . 6.1 La relation entre le travail, la force et le déplacement . . . . . . . . 6.2 La relation entre le travail et l’énergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 La relation entre la masse et le poids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 La relation entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse. . . . 6.5 La relation entre l’énergie potentielle, la masse, l’accélération et le déplacement . . . . 6.6 La loi de la conservation de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7 Le rendement énergétique . . . . . . . . 6.8 La distinction entre chaleur et température . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9 La relation entre l’énergie thermique, la capacité thermique massique, la masse et la variation de température . . . . . . . . . . . . . . . . .

141

146 147 148

150

IV

173 174 180 183 185 187 190 196 203

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

143

SECTION 9 L’électromagnétisme . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1 Les forces d’attraction et de répulsion. . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Le champ magnétique d’un fil parcouru par un courant . . . . . . . . . . 9.3 Le champ magnétique d’un solénoïde . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4 L’induction électromagnétique . . . . .

209 210 215 216 219

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

152 154 156 CHAPITRE

157

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 SECTION 7 Les fluides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Le principe d’Archimède . . . . . . . . . . 7.2 Le principe de Pascal. . . . . . . . . . . . . 7.3 Le principe de Bernoulli. . . . . . . . . . .

SECTION 8 L’électricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1 La charge électrique . . . . . . . . . . . . . 8.2 L’électricité statique . . . . . . . . . . . . . 8.3 La loi de Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . 8.4 Le champ électrique . . . . . . . . . . . . . 8.5 Les circuits électriques . . . . . . . . . . . 8.6 La loi d’Ohm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.7 Les lois de Kirchhoff . . . . . . . . . . . . . 8.8 La relation entre la puissance et l’énergie électrique . . . . . . . . . . . .

2

TERRE ET ESPACE RAPPEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

170

SECTION 1 L’espace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 1.1 Le flux d’énergie émis par le Soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 1.2 Le système Terre-Lune. . . . . . . . . . . . 236

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

Table des matières

165 166 168

SECTION 2 L’atmosphère. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 L’effet de serre. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Les masses d’air . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 La circulation atmosphérique . . . . . . 2.4 Les cyclones et les anticyclones . . . . 2.5 L’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 La contamination atmosphérique . . . 2.7 Les ressources énergétiques de l’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.3 Les facteurs influençant la distribution des biomes . . . . . . . . . 340

241 243 246

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

249 256 261 264 268

SECTION 6 Les cycles biogéochimiques. . . . . . . . . 6.1 Le cycle du carbone . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Le cycle de l’azote . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Le cycle du phosphore . . . . . . . . . . . .

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 SECTION 3 L’hydrosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Les bassins versants . . . . . . . . . . . . . 3.2 La salinité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 La circulation océanique . . . . . . . . . . 3.4 Les glaciers et la banquise . . . . . . . . 3.5 La contamination de l’hydrosphère . . 3.6 L’eutrophisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7 Les ressources énergétiques de l’hydrosphère . . . . . . . . . . . . . . . .

348 352 355

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357

275 276 281 284 288 292

CHAPITRE

3

UNIVERS VIVANT

295

RAPPEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 298

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 SECTION 4 La lithosphère. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Les minéraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Les horizons du sol . . . . . . . . . . . . . . 4.3 La capacité tampon du sol . . . . . . . . 4.4 L’épuisement des sols . . . . . . . . . . . . 4.5 La contamination des sols. . . . . . . . . 4.6 Le pergélisol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Les ressources énergétiques de la lithosphère . . . . . . . . . . . . . . . .

347

305 306 312 314 315 318 321 323

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 SECTION 5 Les régions climatiques . . . . . . . . . . . . . 329 5.1 Les biomes terrestres . . . . . . . . . . . . 330 5.2 Les biomes aquatiques . . . . . . . . . . . 335

SECTION 1 L’écologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 L’étude des populations. . . . . . . . . . . 1.2 La dynamique des communautés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 La dynamique des écosystèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 L’empreinte écologique . . . . . . . . . . . 1.5 L’écotoxicologie . . . . . . . . . . . . . . . . .

365 366 372 376 381 383

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 SECTION 2 La génétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Les gènes et les protéines . . . . . . . . 2.2 La synthèse des protéines. . . . . . . . . 2.3 L’hérédité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Les croisements . . . . . . . . . . . . . . . . .

389 390 393 396 398

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403

Table des matières

V

CHAPITRE

4

UNIVERS TECHNOLOGIQUE RAPPEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 SECTION 1 Le langage des lignes. . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Les standards et représentations . . . 1.2 La projection orthogonale à vues multiples . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 La projection axonométrique : la vue éclatée . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Les tolérances dimensionnelles . . . . 1.5 La cotation fonctionnelle. . . . . . . . . . 1.6 Les développements . . . . . . . . . . . . .

413

418 420 421 422 423

427 428 430 432 434 438 441 443

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449 SECTION 3 L’ingénierie électrique . . . . . . . . . . . . . . 451 3.1 La fonction d’alimentation. . . . . . . . . 453 3.2 Les fonctions de conduction, d’isolation et de protection . . . . . . . . 455

VI

Table des matières

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469

414

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 SECTION 2 L’ingénierie mécanique . . . . . . . . . . . . . 2.1 Les caractéristiques des liaisons mécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Les degrés de liberté . . . . . . . . . . . . . 2.3 La fonction de guidage . . . . . . . . . . . 2.4 Les systèmes de transmission du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Les systèmes de transformation du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 L’adhérence et le frottement . . . . . . . 2.7 Les changements de vitesse et les couples. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3 La fonction de commande . . . . . . . . . 459 3.4 La fonction de transformation de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461 3.5 Les fonctions du condensateur, de la diode, du transistor et du relais semi-conducteur . . . . . . . . . 464

SECTION 4 Les matériaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Les contraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Les propriétés mécaniques des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Les types de matériaux et leurs propriétés . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 La modification des propriétés des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Les traitements thermiques. . . . . . . .

471 472 475 477 485 487

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489 SECTION 5 La fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Le façonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 La fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 La mesure et le contrôle . . . . . . . . . .

491 492 494 500

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504 SECTION 6 Les biotechnologies . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Le traitement des eaux usées . . . . . . 6.2 La biodégradation des polluants . . . . 6.3 Le clonage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

505 506 509 511

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515

Glossaire-index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

516 536

LES CONCEPTS DES PROGRAMMES

Concepts CHAPITRE

1

ST

STE ATS

SE

Pages

Le manuel Synergie traite de tous les concepts des quatre programmes de science pour la

UNIVERS MATÉRIEL

2e année du 2e cycle. Le tableau ci-contre

L’organisation de la matière Modèle atomique de Rutherford-Bohr





Notation de Lewis







35

donne la liste complète des concepts, le ou

Modèle atomique simplifié





33

les programmes dans lesquels ils sont prescrits,

Ions polyatomiques





61

Règles de nomenclature et d’écriture





99

ainsi que les pages du manuel où ils sont

Notion de mole





51

Nombre d’Avogadro





51

28

présentés.

La classification périodique Familles et périodes du tableau périodique



36



Numéro atomique



Masse atomique relative





45

Isotopes





45

Périodicité des propriétés



31

48

Les propriétés physiques des solutions Solubilité



65

Dissolution



62

Concentration • g/L % • (ppm) • (mole/L)

✔ ✔ ✔

68



✔ ✔



71

Conductibilité électrique







73

Électrolytes







74

Dilution

Force des électrolytes

78



Dissociation électrolytique





Ions







60

Échelle pH







82

Loi de conservation de la masse







89

Balancement d’équations chimiques







91

Stœchiométrie





93

Nature de la liaison (covalente, ionique)





96



104



112



105

76

Les transformations chimiques

Décomposition et synthèse Photosynthèse et respiration Précipitation





Abréviations ST : Science et technologie STE : Science et technologie de l’environnement ATS : Applications technologiques et scientifiques SE : Science et environnement

Les concepts des programmes

VII

Concepts Réaction de neutralisation acidobasique

ST

STE ATS



Sels

✔ ✔

Combustion



Oxydation Réactions endothermique et exothermique

SE

Pages



102



ST

Loi de Kirchhoff

STE ATS

SE

196



81

Relation puissance et énergie électrique L’électromagnétisme

Pages







203





109





109

Forces d’attraction et de répulsion







210

107

Champ magnétique d’un fil parcouru par un courant







215





216



219





Les transformations nucléaires Stabilité nucléaire



120

Radioactivité



121

Fission et fusion

Concepts

127



Champ magnétique d’un solénoïde Induction électromagnétique CHAPITRE

2

TERRE ET ESPACE

L’espace

Les forces et les mouvements Force



134

Flux d’énergie émis par le Soleil







232







236

Effet de serre





Types de forces



135

Système Terre-Lune

Équilibre de deux forces



137

L’atmosphère

Relation entre vitesse constante, distance et temps



138

Masse d’air





Les transformations de l’énergie

Circulation atmosphérique





Loi de la conservation de l’énergie

Cyclone et anticyclone









152



Distinction entre chaleur et température







156

Rendement énergétique







154

Relation entre la masse et le poids





Relation entre le travail, la force et le déplacement





143

Force efficace





144

Vents dominants



Ozone



Contamination atmosphérique

Relation entre le travail et l’énergie



Relation entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse



Relation entre l’énergie potentielle, la masse, l’accélération et le déplacement



147

✔ ✔

146 148

Ressources énergétiques



243 246

✔ ✔

249 256

✔ ✔

251 261





264







268

Bassin versant







276

Salinité





281

Circulation océanique





284

Glacier et banquise





L’hydrosphère

288

Eutrophisation





295

Contamination





292

Ressources énergétiques

298







Minéraux







Horizons du sol (profil)





Pergélisol





321

Épuisement des sols



315

Capacité tampon du sol





314

Contamination





318

La lithosphère

Relation entre l’énergie thermique, la capacité thermique massique, la masse et la variation de température







150

157

Les fluides Principe d’Archimède



166

Ressources énergétiques

Principe de Pascal



168

Les régions climatiques

Principe de Bernoulli



170

L’électricité

306



312







323

Facteurs influençant la distribution des biomes







340

Électricité statique







180

Biomes terrestres





330

Charge électrique







174

Biomes aquatiques





335

Loi de Coulomb



183

Les cycles biogéochimiques

Champ électrique



185

Cycle du carbone





348

187

Cycle de l’azote





352

190

Cycle du phosphore



355

Circuits électriques







Loi d’Ohm







VIII

Les concepts des programmes

Concepts CHAPITRE

3

ST

Pages

Concepts

366



Construction et particularités du mouvement des systèmes de transformation du mouvement • Vis et écrou, cames, bielles, manivelles, coulisseaux et systèmes bielle et manivelle, pignon et crémaillère • Excentrique



Changements de vitesse • Couple résistant et couple moteur

STE ATS

SE

UNIVERS VIVANT

L’écologie Étude des populations (densité, cycles biologiques) Dynamique des communautés Biodiversité • Perturbations •

Dynamique des écosystèmes Relations trophiques • Productivité primaire • Flux de matière et d’énergie • Recyclage chimique





✔ ✔

✔ ✔

372







376

ST





STE ATS

SE

Pages











✔ ✔

443

453

438

L’ingénierie électrique

Empreinte écologique



Écotoxicologie • Contaminant • Bioconcentration • Bioaccumulation • Seuil de toxicité



381



383

Fonction d’alimentation







Fonction de conduction, d’isolation et de protection • Résistance et codification • Circuit imprimé







✔ ✔

✔ ✔

Fonction de commande Types : unipolaire, bipolaire, unidirectionnel, bidirectionnel



✔ ✔

✔ ✔

459





461



✔ ✔

464



La génétique Hérédité



396

Gène



390

Allèle



396

Caractère



390

Fonction de transformation de l’énergie (électricité et lumière, chaleur, vibration, magnétisme)



Autres fonctions Condensateur, diode • Transistor, relais semi-conducteur •

455

Génotype et phénotype



397

Homozygote et hétérozygote



396

Les matériaux

Dominance et récessivité



397

Contraintes (flexion, cisaillement)







Croisement

472



398

Synthèse des protéines



393

Caractérisation des propriétés mécaniques







475

Types et propriétés Matières plastiques (thermoplastiques, thermodurcissables) • Céramiques • Matériaux composites







477







485





487





492





CHAPITRE

4

UNIVERS TECHNOLOGIQUE



Le langage des lignes Projection orthogonale à vues multiples (dessin d’ensemble)





418

Projection axonométrique : vue éclatée (lecture)





420

Modifications des propriétés (dégradation, protection)

Tolérances dimensionnelles





421

Traitements thermiques

Développements (prisme, cylindre, pyramide, cône)



423

La fabrication

Cotation fonctionnelle



422



Standards et représentations (schémas, symboles)



414





428

Degrés de liberté d’une pièce





430

Adhérence et frottement entre les pièces





441





432

Fonction de guidage Construction et particularités du mouvement des systèmes de transmission du mouvement (roues de friction, poulies et courroie, engrenage, roues dentées et chaîne, roue dentée et vis sans fin)

Fabrication Caractéristiques du traçage, du perçage, du taraudage, du filetage • Caractéristiques du cambrage (pliage) •

L’ingénierie mécanique Caractéristiques des liaisons des pièces mécaniques

Façonnage Machines et outillage





Mesure et contrôle Mesure directe (pied à coulisse) • Contrôle, forme et position (plan, section, angle) •

494





✔ ✔

500

Les biotechnologies







434

Clonage



511

Traitement des eaux usées



506

Biodégradation des polluants



509

Les concepts des programmes

IX

L’ORGANISATION DU MANUEL Le manuel Synergie comprend une introduction portant sur six problématiques environnementales ainsi que quatre chapitres : Univers matériel, Terre et espace, Univers vivant et Univers technologique. À la fin du manuel, un glossaire-index présente les définitions des concepts et la liste complète des termes importants utilisés dans les domaines scientifique et technologique.

L’introduction Le titre de l’introduction.

Dans le Sommaire, un pictogramme est associé à chacune des six problématiques proposées pour faciliter le repérage dans le manuel. Un texte de présentation met en contexte les problématiques environnementales.

Des Suggestions d’enjeux donnent des pistes pour approfondir la compréhension de la problématique.

Le titre de la problématique environnementale. La liste des Chapitres et sections en lien signale les sections du manuel qui renferment les rubriques Problématiques  (voir la page XII ).

X

L’organisation du manuel

Le texte trace le portrait de la problématique environnementale.

La rubrique Citation présente le point de vue d’une personnalité.

Le début d’un chapitre Le Sommaire présente les sections du chapitre.

Le titre du chapitre. Un texte d’introduction présente les concepts généraux abordés dans le chapitre.

Le Rappel propose un retour sur les concepts à l’étude au 1er cycle et en 1re année du 2e cycle. Ces concepts sont en lien avec ceux des programmes de 2e année du 2e cycle du secondaire. Chaque concept est clairement identifié.

Des photos, des schémas et des illustrations facilitent la révision des concepts.

L’organisation du manuel

XI

Les sections Dans le texte, le nom des concepts et les termes scientifiques et technologiques apparaissent en bleu et se trouvent dans le glossaire-index. Le titre de la section. Une table des matières présente les concepts.

Les notions importantes pour la compréhension du concept apparaissent en intertitre.

Les titres des concepts sont toujours suivis des pictogrammes ST STE ATS ou SE qui signalent le ou les programmes prescrits.

Des renvois à d’autres concepts permettent de compléter ou d’approfondir l’information au besoin.

La rubrique Problématique  permet la mise en contexte d’un concept avec une ou plusieurs problématiques environnementales.

XII

L’organisation du manuel

Les mots difficiles sont suivis d’un astérisque* et sont définis dans la marge.

La rubrique Techno présente un objet, un système, un produit ou un procédé technologique en lien avec le concept.

La rubrique Info science propose un complément d’information en lien avec le concept.

La rubrique Repère présente des personnalités, des lieux ou des événements ayant marqué l’histoire scientifique ou technologique.

Les formules mathématiques, les équations et les exemples de calcul sont toujours présentés sous une trame de couleur distincte.

À la fin de chaque section, la rubrique Pour faire le point propose des questions qui permettent de mieux comprendre les concepts.

Un grand nombre de schémas, de photographies et d’illustrations facilitent la compréhension des concepts.

La rubrique Outil renvoie au manuel de référence Outil qui traite d’une technique en lien avec le concept abordé.

La Synthèse résume l’essentiel des notions à l’étude pour chacun des concepts de la section.

L’organisation du manuel

XIII

2

SOMMAIRE

INTRODUCTION

PRO BLÉMATIQ UE 1

Les changements climatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 ST

STE

PRO BLÉMATIQ UE 2

L’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 ST

STE

SE

PROBLÉMATIQUES ENVIRONNEMENTALES

PRO BLÉMATIQ UE 3

L’eau potable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 ST

STE

PRO BLÉMATIQ UE 4

La déforestation . . . . . . . . . . . . . . . . 10 ST

STE

PRO BLÉMATIQ UE 5

Les matières résiduelles . . . . . . . 12 STE

SE

PRO BLÉMATIQ UE 6

La production alimentaire . . . . . . 14 STE

En 1972, les pays participant à la Conférence des Nations Unies sur l’environnement déclarent au reste du monde qu’il est urgent d’agir pour limiter les impacts de l’activité humaine sur la biosphère. « Nous sommes à un moment de l’histoire où nous devons orienter nos actions dans le monde entier en songeant davantage à leurs répercussions sur l’environnement. » Extrait du 6e principe de la Déclaration de Stockholm (1972)

En 2007, le rapport des 4 000 scientifiques du GIEC, un groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat, confirme avec un taux de certitude de 90 % que le réchauffement climatique est lié aux activités humaines. La plupart des pays de la communauté internationale et de nombreuses personnalités publiques tirent encore une fois la sonnette d’alarme : le grand défi du 21e siècle sera de transformer en profondeur nos modes de vie, la gestion de nos ressources et nos besoins en énergie afin de préserver la biosphère. Dans cette introduction, vous découvrirez six grandes problématiques environnementales. Au fil des chapitres de votre manuel, vous aurez l’occasion de mieux comprendre quels sont les enjeux scientifiques et technologiques qui sont liés à ces problématiques. 3

PROBLÉMATIQUE ST

STE

1 Les changements climatiques Les changements climatiques sont des perturbations du climat global de la Terre, ou de ses différents climats régionaux, au cours d’une période allant de la décennie jusqu’au million d’années.

L CHAPITRES ET SECTIONS EN LIEN

Univers matériel Section 3 Les transformations chimiques Section 6 Les transformations de l’énergie Terre et espace Section 1 L’espace Section 2 L’atmosphère Section 3 L’hydrosphère Section 4 La lithosphère Section 5 Les régions climatiques Section 6 Les cycles biogéochimiques Univers vivant Section 1 L’écologie

4

Problématiques environnementales

a Terre a connu de nombreuses variations climatiques depuis la formation de son atmosphère. Plusieurs périodes de réchauffement et de glaciation se sont succédé, ces perturbations climatiques se déroulant généralement sur des milliers d’années. Des recherches en climatologie démontrent qu’au cours des 100 dernières années seulement, la température moyenne à la surface de la Terre a augmenté d’environ 0,7 °C et qu’elle pourrait continuer d’augmenter de 1,4 à 6 °C dans les prochaines décennies.

Les gaz à effet de serre (GES) En 2007, le rapport des 4 000 scientifiques du GIEC, un organisme international qui a pour mission

d’évaluer l’ensemble des informations scientifiques sur les changements climatiques, confirme avec un taux de certitude de 90 % que le réchauffement climatique est lié aux activités humaines. Depuis le début de l’industrialisation, au milieu du 19e siècle, l’être humain consomme en effet de plus en plus de combustibles fossiles (comme le charbon et le pétrole) pour produire de l’énergie. La combustion de ces ressources fossiles libère de grandes quantités de dioxyde de carbone (CO2) et d’autres gaz à effet de serre (GES) qui participent de façon importante au phénomène de réchauffement de l’atmosphère et donc aux changements climatiques. La déforestation due à la conversion des forêts en terres agricoles,

l’élevage intensif (particulièrement celui des bovins) et l’enfouissement des déchets sont également d’importantes sources d’émissions de GES liées aux activités humaines.

Des conséquences possibles sur la biosphère Dans certaines régions du monde, dont le Québec, des hausses de la température moyenne pourraient provoquer l’augmentation ou la diminution des précipitations sous forme de neige ou de pluie, la diminution des durées d’enneigement et d’englacement, le recul ou la disparition des glaciers et la fonte des glaces polaires. Le réchauffement climatique pourrait également favoriser des phénomènes météorologiques extrêmes comme les tempêtes et les cyclones, les inondations, les vagues de chaleur, les sécheresses prolongées et les incendies de forêt. Comme l’air, les océans se réchauffent. De plus, leur niveau pourrait augmenter de plusieurs centimètres et entraîner l’érosion des côtes, en plus de submerger les îles basses et les régions côtières. À l’échelle planétaire, des perturbations de plus en plus nombreuses des écosystèmes pourraient entraîner la migration ou la disparition de plusieurs espèces animales et végétales et avoir d’importantes conséquences sur l’espèce humaine.

Des conséquences possibles sur l’activité et la santé humaines En plus de contribuer au déplacement de certaines populations humaines et à la propagation de maladies, les changements climatiques pourraient avoir des impacts majeurs sur la production alimentaire et l’approvisionnement en eau potable. Au Québec, les changements climatiques pourraient toucher l’agriculture (risque de sécheresses et d’inondations), la pêche (risque de déplacement, d’épuisement ou de contamination

de la ressource), la foresterie (risque d’incendies et d’apparition de nouveaux parasites), le transport routier (risque de gel et dégel qui fragilisent les infrastructures) et le transport maritime (modification ou perturbation des voies maritimes).

Le défi En raison de leurs nombreux impacts, les changements climatiques constituent un défi majeur pour l’humanité. La réduction et une meilleure gestion des émissions mondiales de gaz à effet de serre nécessitent des actions individuelles et collectives immédiates. Ainsi, tant les individus que les sociétés devront à court terme apporter de profondes modifications à leurs habitudes de production et de consommation d’énergie, particulièrement dans les pays industrialisés, afin d’enrayer la poussée de fièvre de la planète et préserver la biosphère.

SUGGESTIONS D’ENJEUX

»

Les phénomènes et les activités responsables des changements climatiques

»

La réduction et la gestion des émissions de GES

»

Les effets des changements climatiques

»

L’adaptation aux changements climatiques

»

Des technologies contre le réchauffement climatique

CITATION

Nous sommes engagés dans une gigantesque expérimentation sur le climat à l'échelle de la planète. Nous en observons les effets déjà bien visibles et nous surveillons avec anxiété et même angoisse ceux qui vont venir. C'est que, contrairement au scientifique expérimentateur, nous ne pouvons pas arrêter le déroulement de l'expérience si ça tourne mal. Ni même fermer le labo et rentrer chez nous. Nous sommes dans l'éprouvette. Et aussi nos enfants et petitsenfants. L'enjeu est de taille. Il ne s'agit de rien de moins que de l'avenir de la biosphère terrestre. La vie, nous le savons maintenant, est d'une robustesse extraordinaire. Il n'est pas en notre pouvoir de l'éliminer. Elle continuera à s'adapter et à foisonner comme elle le fait depuis quatre milliards d'années sous des formes d'une variété époustouflante. Mais ce que nous ne savons pas, c'est si nous, êtres humains, serons encore de la partie.

HUBERT REEVES (1936-) Astrophysicien et vulgarisateur scientifique canadien

Les changements climatiques

5

PROBLÉMATIQUE ST

STE

SE

2 L’énergie

CHAPITRES ET SECTIONS EN LIEN

Univers matériel Section 3 Les transformations chimiques Section 4 Les transformations nucléaires Section 6 Les transformations de l’énergie Section 8 L’électricité Section 9 L’électromagnétisme Terre et espace Section 1 L’espace Section 2 L’atmosphère Section 3 L’hydrosphère Section 4 La lithosphère Section 5 Les régions climatiques Section 6 Les cycles biogéochimiques Univers vivant Section 1 L’écologie

6

Problématiques environnementales

On entend par énergie l’ensemble des énergies produites par l’être humain à partir de ressources non renouvelables comme le pétrole et le charbon, ou de ressources renouvelables comme les énergies solaire, éolienne ou hydraulique. fossiles pour répondre à leurs besoins énergétiques, mais aussi ous avons tous besoin d’avoir pour assurer leur développement accès à des sources d’énergie pour industriel et économique. L’exrépondre à nos besoins essentiels ploitation à grande échelle de ces comme la cuisson des aliments, énergies non renouvelables a des l’éclairage, le chauffage ou le transrépercussions majeures sur la bioport. Cependant, l’humanité est sphère parce qu’elle génère d’imaujourd’hui aux prises avec une portantes quantités de gaz à effet crise énergétique sans précédent : de serre (GES), ce qui contribue les résidus de la combustion des au réchauffement de l’atmosphère énergies fossiles comme le charet donc aux changements climabon, le pétrole et le gaz naturel sont tiques. extrêmement polluants, et ce type de ressources naturelles se fait de À travers le monde, la surconsomplus en plus rare. mation d’énergie des pays industrialisés et la croissance économique La surexploitation des de pays très fortement peuplés, énergies non renouvelables comme la Chine et l’Inde, devraient Depuis le milieu du 19e siècle, les faire doubler la demande monpays industrialisés utilisent presdiale d’énergie d’ici 2030. Comme que exclusivement des énergies les énergies fossiles ne sont pas

N

renouvelables, on estime qu’elles devraient commencer à s’épuiser dès le milieu du 21e siècle. De nombreux pays misent également sur l’énergie nucléaire pour produire une partie de leur électricité. Longtemps considérée comme une source d’énergie propre (elle ne produit pas de CO2) et surtout très efficace (la valeur énergétique d’un gramme d’uranium équivaut à environ 1,6 tonne de pétrole et 2,4 tonnes de charbon), l’énergie nucléaire fait néanmoins partie des sources d’énergie extrêmement polluantes. Parmi les différents impacts environnementaux liés à l’exploitation de l’énergie nucléaire, la gestion des déchets radioactifs, notamment de l’uranium dont la dégradation complète s’étend sur plusieurs dizaines de milliers d’années, constitue un défi qu’aucun pays n’a encore réussi à relever à ce jour. Au Québec, l’hydroélectricité occupe une place majeure dans la production énergétique. Cependant, le développement ou la gestion de grands complexes hydroélectriques peuvent également nuire à l’environnement en raison, entre autres, du détournement des rivières et de l’inondation de vastes territoires.

Des sources d’énergie « alternatives » Le rayonnement solaire (énergie solaire), le vent (énergie éolienne), l’eau (énergie hydraulique) et la chaleur interne de la Terre (énergie géothermique) sont des sources d’énergie à la fois renouvelables et propres. Leur exploitation ne produit pas de GES et pratiquement pas de polluants toxiques. Parmi les énergies alternatives, on trouve également les biocarburants. Ils sont issus de la transformation de déchets organiques, ou de plantes comme le maïs et la canne à sucre, à partir desquels

on produit de l’éthanol. Toutefois, si la valorisation des cultures, ou des déchets agricoles, est une source d’énergie « durable », elle peut également avoir un impact environnemental important. Le développement intensif de monocultures entraîne en effet des problèmes de déforestation, mais aussi la « perte » des meilleures terres agricoles. Le potentiel économique des biocarburants peut donc nuire à la production alimentaire et aux besoins des populations locales, en plus d’accroître l’utilisation de pesticides et de plantes génétiquement modifiées (OGM).

SUGGESTIONS D’ENJEUX

»

Réduire la consommation et le gaspillage d’énergie

»

Des alternatives aux énergies fossiles pour les transports et l’industrie

»

Le développement et l’exploitation des énergies renouvelables

»

Le développement hydroélectrique et éolien au Québec

»

La répartition des ressources énergétiques dans le monde

Le défi Le développement des énergies « vertes » ne permet pas encore de répondre efficacement aux besoins énergétiques de sociétés de plus en plus énergivores. Pour relever ce défi, les pays industrialisés devront réduire leur consommation d’énergie, améliorer l’efficacité et le rendement énergétique de leurs technologies et diversifier leurs sources d’énergies propres et renouvelables.

CITATION

L’abondance historique de nos ressources a fait de nous des gaspilleurs et nous a rendus inefficaces. Une récente étude réalisée [en 2005] par l’Université Simon Fraser évaluant notre performance nationale en termes de développement durable a comparé le Canada aux 29 autres membres de l’Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE). Le Canada est arrivé en 28e position pour la consommation d’énergie, à la 26e place pour les émissions de gaz à effet de serre, à la 29e pour la consommation d’eau, à la 27e pour la pollution due aux oxydes de soufre et au 30e rang pour ce qui est des déchets nucléaires et du monoxyde de carbone. […] Le modèle traditionnel sur la base duquel notre économie s’est développée n’est pas durable.

SIDNEY RIBAUX (1969-) Avocat de formation, cofondateur et coordonnateur général d’Équiterre

L’énergie

7

PROBLÉMATIQUE ST

STE

3 L’eau potable Une eau est potable lorsqu’elle correspond à des caractéristiques, ou à des critères, qui la rendent propre à la consommation humaine.

L CHAPITRES ET SECTIONS EN LIEN

Univers matériel Section 2 Les propriétés des solutions Section 3 Les transformations chimiques Terre et espace Section 2 L’atmosphère Section 3 L’hydrosphère Section 5 Les régions climatiques Univers vivant Section 1 L’écologie Univers technologique Section 6 Les biotechnologies

8

Problématiques environnementales

’eau recouvre environ 70 % de la surface terrestre. Or 97 % de cette eau est salée et donc impropre à la consommation. Seulement 2,5 % de toute l’eau disponible sur Terre est de l’eau douce et à peine 0,5 % de cette eau douce est facilement accessible. Neuf pays (le Canada, les États-Unis, le Brésil, la Colombie, la Russie, la Chine, l’Inde, l’Indonésie et le Congo) se partagent environ 60 % des réserves mondiales d’eau douce, 80 pays souffrent de pénuries ponctuelles et 28 de pénuries régulières. Dans le monde, des millions de personnes meurent chaque année en raison du manque d’eau potable. L’eau est une ressource limitée : il n’y a pas plus d’eau aujourd’hui

qu’il y en avait aux temps préhistoriques. L’eau que nous consommons est une eau recyclée. L’Organisation mondiale de la santé (OMS) estime que la pénurie d’eau potable touche environ 40 % de la population mondiale (4 personnes sur 10). Les effets combinés de la croissance démographique et de l’urbanisation, et l’utilisation toujours croissante de cette ressource à des fins agricoles, industrielles et domestiques aggravent sans cesse la situation. On estime que, d’ici 2025, près de deux milliards de personnes vivront dans des pays où l’accès à l’eau potable sera problématique, sinon impossible. Les pénuries d’eau potable obligent déjà certaines populations à recourir à des

sources d’eau beaucoup moins sûres pour leurs besoins alimentaires. Le manque d’eau les empêche de se laver et détériore leurs conditions de vie. La mauvaise qualité de l’eau contribue également au développement de maladies telles que le choléra, la fièvre typhoïde, la salmonellose et la dysenterie.

La surexploitation et le gaspillage de l’eau L’agriculture utilise la plus grande partie de l’eau douce : près de 70 % de toute l’eau douce consommée dans le monde est en effet destinée à l’irrigation des cultures. L’industrie en consomme 22 %. Par exemple, il faut 250 tonnes d’eau pour produire une seule tonne de papier. L’eau douce, et a fortiori l’eau potable, est une ressource rare et donc précieuse. Pourtant, le mode de vie des habitants des pays industrialisés, le mauvais état des canalisations des réseaux d’alimentation, ainsi que l’utilisation abusive de l’eau pour les loisirs (piscines, arrosage des terrains de golf) participent au gaspillage de cette ressource. Un NordAméricain consomme en moyenne près de 600 litres d’eau par jour et en gaspille plus de la moitié, alors qu’on estime qu’il suffirait de 30 à 40 litres d’eau pour assurer les besoins d’une personne.

La contamination de l’eau L’activité humaine contribue à la contamination des rivières, des lacs et des nappes d’eau souterraine. Pour lutter contre cette pollution de l’eau, il est nécessaire d’avoir recours à des traitements souvent complexes et coûteux. Le traitement de l’eau vise à garantir la qualité de l’eau potable des systèmes d’aqueduc des villes ou des municipalités, et le traitement des eaux usées avant qu’elles soient

retournées dans l’environnement ou les cours d’eau.

Le défi Pour assurer un approvisionnement en eau potable de qualité, il est nécessaire de protéger les milieux humides et les sources d’eau douce, de prévenir la contamination en traitant les eaux usées et de réduire le gaspillage. Au Québec, environ la moitié de la population s’approvisionne en eau brute dans le fleuve SaintLaurent. La contamination de cet important réservoir naturel par les activités agricoles, industrielles et domestiques menace donc directement l’approvisionnement en eau potable et, par conséquent, la santé publique.

SUGGESTIONS D’ENJEUX

»

La disponibilité et l’accès à l’eau potable à l’échelle de la planète

»

Le contrôle de la qualité de l’eau potable

»

Le traitement des eaux usées

»

La gestion de l’eau par les bassins versants

»

La protection des milieux humides et des réserves d’eau douce

»

La réduction de la consommation et du gaspillage de l’eau douce

CITATION

Le cycle de l’eau est planétaire. C’est pourquoi celle que nous buvons peut venir de toutes les parties du monde et constituer de cette façon un merveilleux maillon qui nous relie au reste de la planète. Puisqu’en tant qu’humains nous sommes intimement intégrés dans ce cycle de l’eau, la façon dont nous la traitons nous concerne directement. DAVID T. SUZUKI (1936-) Généticien, vulgarisateur scientifique et environnementaliste canadien

L’eau potable

9

PROBLÉMATIQUE ST

STE

4 La déforestation

CHAPITRES ET SECTIONS EN LIEN

Univers matériel Section 3 Les transformations chimiques Section 6 Les transformations de l’énergie Terre et espace Section 1 L’espace Section 2 L’atmosphère Section 3 L’hydrosphère Section 4 La lithosphère Section 5 Les régions climatiques Section 6 Les cycles biogéochimiques Univers vivant Section 1 L’écologie Section 2 La génétique Univers technologique Section 6 Les biotechnologies

10

Problématiques environnementales

La déforestation, ou le déboisement, est la destruction par le feu (brûlis) ou la coupe d’une forêt dans le but d’en exploiter la ressource (le bois) ou d’en modifier le territoire, par exemple pour en faire des terres agricoles.

L

es forêts primaires (vierges de toute activité humaine), comme la forêt tropicale d’Amazonie ou les forêts boréales du Canada et de la Russie, sont aujourd’hui de plus en plus menacées. D’ici une dizaine d’années, on estime que les forêts primaires d’Afrique auront pratiquement disparu. Près de 100 % des forêts d’Europe de l’Ouest sont déjà détruites. Aux ÉtatsUnis, plus de 90 % des forêts n’existent plus. Depuis 50 ans, la déforestation s’accélère en raison du développement ou du maintien de la croissance économique, de la valeur commerciale des forêts, de l’agriculture intensive, des incendies volontaires, ou encore de l’urbanisation. Les forêts de la

planète disparaissent aujourd’hui à un rythme sans précédent : environ 130 000 km2 par an.

Les causes de la déforestation Pour réussir à survivre dans les pays en développement, de nombreuses populations n’ont d’autre choix que de couper ou de brûler leurs forêts pour leurs besoins en combustible (bois de chauffage ou charbon de bois), mais aussi pour augmenter les surfaces cultivables. Au Brésil, la culture intensive de soja et l’expansion des pâturages pour l’élevage menacent de plus en plus la forêt amazonienne. En Indonésie, on déboise de grandes parties de la forêt tropicale pour les convertir en plantations de palmiers (huile de

palme) afin de produire, notamment, des biocarburants. La coupe sélective pour le commerce de bois précieux et le réaménagement des forêts au profit de développements urbains ou industriels sont des causes majeures de déforestation. L’exploitation des métaux rares (or, cobalt, nickel), du pétrole et des diamants que l’on trouve dans les sols et les rivières de certaines forêts contribue également à leur surexploitation. Dans les pays industrialisés de l’hémisphère Nord, comme le Canada, c’est notamment les industries du bois de construction et des pâtes et papiers qui fragilisent le patrimoine forestier. Les coupes mécanisées (coupes à blanc) endommagent le sol et les jeunes arbres, ce qui réduit le potentiel de régénération de la forêt. Quant au reboisement, ce sont généralement les espèces à haute valeur commerciale qui sont choisies et génétiquement sélectionnées pour leur rendement. Ces méthodes mettent en péril la dynamique forestière naturelle et la biodiversité.

Les conséquences de la déforestation La déforestation est responsable d’environ 20 % des émissions de gaz à effet de serre (GES). Par exemple, lorsqu’une forêt brûle ou qu’elle est coupée, elle libère d’énormes quantités de dioxyde de carbone (CO2) dans l’atmosphère. Pourtant, les forêts jouent un rôle essentiel pour contrer les émissions de gaz à effet de serre (GES), puisqu’elles ont non seulement la capacité d’absorber de très grandes quantités de dioxyde de carbone (CO2), mais aussi celle de produire du dioxygène (O2) grâce à la photosynthèse. En exposant le sol, la déforestation est souvent une première étape vers la désertification. Les forêts protègent les sols de

l’érosion en retenant, notamment, les eaux de pluie. Sans arbres, on assiste à des glissements de terrain ; des particules de sol et des substances chimiques naturelles (comme le mercure) peuvent alors contaminer les cours d’eau. Les forêts abritent près de 50 % de la biodiversité terrestre. Leur disparition a donc un impact direct sur les écosystèmes et de très nombreuses espèces animales et végétales. Le mode de vie de milliers de personnes qui dépendent traditionnellement de la forêt peut également être profondément perturbé.

SUGGESTIONS D’ENJEUX

»

Les effets de la déforestation sur la biodiversité

»

La déforestation et les changements climatiques

»

L’exploitation durable des forêts

»

Des solutions de rechange à l’utilisation du bois

Le défi Partout dans le monde, la déforestation répond à des besoins de croissance économique. Au Québec, la forêt couvre 46 % du territoire. Il s’agit d’une grande richesse collective qui joue un rôle économique et social très important. Le défi lié à la déforestation, au Québec et dans le monde, réside dans une gestion durable des ressources de la forêt. Il faudra trouver le moyen de préserver la diversité et la dynamique naturelle des forêts, car elles contribuent à l’équilibre de la biosphère.

CITATION

Quand on envisage un problème aussi vaste que la dégradation de l’environnement planétaire, il est facile de se sentir accablé, complètement impuissant à changer quoi que ce soit. Mais nous devons nous garder de cette réaction, parce que la crise ne trouvera de solution que si des individus prennent la responsabilité de s’y attaquer. En nous éduquant nous-mêmes et en éduquant les autres, en contribuant, chacun à son niveau, à réduire l’emploi et le gaspillage des ressources, en nous montrant politiquement un peu plus actifs pour exiger le changement – ainsi, et de mille autres façons, nous pouvons tous faire bouger les choses. Mais le plus important peut-être, c’est que chacun de nous examine son propre rapport au monde et retisse, au plus profond de luimême, de nouveaux liens avec lui.

AL GORE (1948-) Homme politique et conférencier américain, lauréat du prix Nobel de la paix (2007)

La déforestation

11

PROBLÉMATIQUE STE

SE

5 Les matières résiduelles Les matières résiduelles sont l’ensemble des résidus ou des déchets solides, gazeux ou liquides, générés par les activités humaines.

CHAPITRES ET SECTIONS EN LIEN

Univers matériel Section 2 Les propriétés des solutions Section 3 Les transformations chimiques Section 4 Les transformations nucléaires Terre et espace Section 2 L’atmosphère Section 3 L’hydrosphère Section 4 La lithosphère Section 6 Les cycles biogéochimiques Univers vivant Section 1 L’écologie Section 2 La génétique Univers technologique Section 6 Les biotechnologies

12

Problématiques environnementales

D

epuis plus d’un siècle, sous l’effet de la croissance démographique, de l’urbanisation, du développement de l’agriculture et de l’élevage, de l’industrialisation et de la surconsommation en général, les sociétés produisent de plus en plus de déchets et donc, de matières résiduelles. Une grande partie de ces déchets ne sont pas biodégradables et sont extrêmement toxiques pour l’environnement et pour la santé humaine. Leur accumulation contamine de plus en plus les sols, l’air et les cours d’eau.

Les matières résiduelles domestiques La quantité de déchets qu’une société produit est généralement proportionnelle à sa richesse et à

son niveau de développement économique. Dans les pays industrialisés, la surconsommation et la faible durée de vie de nombreux produits (notamment électroniques) créent une très grande quantité de déchets domestiques. Un NordAméricain produit en moyenne 450 kg de déchets par an. La gestion et l’élimination de telles quantités de matières résiduelles, dans des incinérateurs ou des sites d’enfouissement, sont de plus en plus problématiques. Dans les pays en développement, le manque de biens de consommation et de ressources financières incite à la récupération et au recyclage. Toutefois, l’absence ou le mauvais état des structures de traitement des déchets et des eaux usées entraîne de graves

problèmes de pollution et de santé publique.

Les matières résiduelles industrielles et agricoles La production d’électricité (centrales thermiques et nucléaires), les transports, les industries et l’agriculture génèrent d’énormes quantités de matières résiduelles, souvent extrêmement toxiques comme le sont les résidus de combustion, les solvants, les pesticides, les engrais, les résidus de produits d’entretien ménager ou pharmaceutiques. Lorsqu’elles se dispersent dans l’environnement, ces matières résiduelles sont à la source de divers types de pollution tels le smog, les pluies acides et la contamination de l’air, des eaux et des sols. L’équilibre des écosystèmes est de plus en plus perturbé. On peut déjà observer de profonds changements chez certaines espèces animales et végétales, comme des mutations génétiques, ou encore des phénomènes tels que la contamination des lacs par la prolifération des cyanobactéries (les « algues bleues »), qui « s’alimentent » des déversements de phosphate provenant des habitations riveraines.

Les normes environnementales Il existe de grandes différences dans l’application des normes environnementales. Dans les pays industrialisés, les normes environnementales adoptées sont souvent plus élevées et les industries, par exemple, sont soumises à davantage de vérifications. Les pays en développement ont généralement des normes beaucoup moins sévères afin de ne pas freiner leur développement économique, même si les conséquences peuvent être catastrophiques pour l’environnement et pour les populations locales. Pour lutter contre la pauvreté, certains pays choisissent même d’accueillir des

industries très polluantes des pays industrialisés ou acceptent le déversement massif, sur leur territoire, de déchets toxiques, moyennant des compensations financières.

Le défi La gestion de quantités considérables de déchets constitue un enjeu de taille. L’enfouissement des déchets, leur incinération ou leur abandon dans des décharges publiques ou sauvages (n’importe où dans la nature) sont à l’origine de très nombreuses contaminations et produisent d’importantes quantités de gaz à effet de serre (GES). La réduction de la consommation, l’élimination des emballages et des produits jetables non biodégradables, la réparation des produits, le compostage, le recyclage et la valorisation des déchets peuvent réduire notre impact sur l’environnement. La gestion durable des matières résiduelles repose également sur le développement de technologies propres, qui ne produisent pas de matières résiduelles non biodégradables et toxiques, et sur la mise en place de moyens technologiques qui permettent d’éliminer ou de valoriser les déchets.

SUGGESTIONS D’ENJEUX

»

Des solutions de rechange à l’enfouissement et à l’incinération des déchets

»

Le traitement et l’élimination des déchets non biodégradables et dangereux

»

La valorisation des déchets domestiques, agricoles et industriels

»

La réduction de la consommation dans la vie quotidienne

CITATION

Les technologies les plus récentes promettent d’assurer une meilleure productivité, des rendements plus élevés tout en se montrant moins polluantes, mais beaucoup d’entre elles comportent des risques dus à de nouveaux agents et résidus chimiques toxiques, lesquels peuvent être la cause d’accidents très graves dont la nature et l’ampleur échappent encore à nos moyens de lutte. Il est urgent d’instituer un contrôle plus étroit sur l’exportation des produits chimiques utilisés dans l’industrie et l’agriculture. La surveillance actuelle des décharges de déchets dangereux devrait être renforcée.

GRO HARLEM BRUNDTLAND (1939-) Politicienne et environnementaliste norvégienne

Les matières résiduelles

13

PROBLÉMATIQUE STE

6 La production alimentaire La production alimentaire est l’ensemble des activités liées à la production et à la distribution des produits alimentaires, qu’ils soient issus de l’agriculture, de l’élevage, de la pêche ou transformés par des industries.

CHAPITRES ET SECTIONS EN LIEN

Univers matériel Section 3 Les transformations chimiques Section 6 Les transformations de l’énergie Terre et espace Section 2 L’atmosphère Section 3 L’hydrosphère Section 4 La lithosphère Section 6 Les cycles biogéochimiques Univers vivant Section 1 L’écologie Section 2 La génétique Univers technologique Section 6 Les biotechnologies

14

Problématiques environnementales

E

n raison de la croissance démographique mondiale et des habitudes alimentaires des pays « riches », l’agriculture et l’élevage intensifs sont aujourd’hui à la base de la production alimentaire. Depuis 1950, les pays industrialisés ont fortement développé et mécanisé leur production agricole. Ils ont désormais accès à une plus grande quantité de produits et même à des surplus de production qui peuvent entraîner le gaspillage et la destruction de produits non consommés ou légèrement abîmés. Pourtant, dans plusieurs régions du monde et tout particulièrement en Afrique et en Asie, des populations entières connaissent encore de

graves pénuries alimentaires ou des famines.

La production alimentaire des pays industrialisés Avec ses besoins toujours croissants en énergie, en eau, en pesticides et en engrais, l’agriculture à grande échelle est devenue l’une des principales sources de pollution et de dégradation de la biosphère. Ce type de production agricole est responsable de plus de 30 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre (GES), en plus de participer à la contamination des sols et des cours d’eau, et de nuire à la biodiversité. Dans les pays industrialisés, la production alimentaire repose sur une agriculture à forte producti-

vité, mais aussi sur une industrie agroalimentaire qui propose une multitude de produits transformés. La production des aliments, leur transformation, leur conditionnement (empaquetage) et leur distribution requièrent une énorme quantité d’énergie. Les élevages intensifs pour la production de viande, particulièrement celui des bovins, génèrent à eux seuls près de 20 % des émissions de gaz à effet de serre (GES), en plus de consommer une grande partie des plantes céréalières. Les réserves de céréales dans le monde risquent de ne plus pouvoir répondre à la fois aux besoins des pays qui souffrent de pénuries alimentaires et à ceux des élevages intensifs destinés à la production de viande.

Des choix de consommation L’industrie alimentaire détermine les méthodes de production agricole, mais également certaines habitudes des populations occidentales. La consommation importante de viande rouge, de fruits et légumes cultivés avec des pesticides (ou des engrais chimiques) et la forte consommation de produits alimentaires transformés a un impact environnemental important. Ces habitudes alimentaires peuvent également générer des problèmes de santé comme l’obésité, les maladies cardiovasculaires ou le diabète.

La biodiversité et les biotechnologies En privilégiant uniquement le rendement, l’agriculture s’est uniformisée. De nombreuses variétés végétales et animales ont été délaissées et certaines d’entre elles ont même pratiquement disparu. L’alimentation de base de près de quatre milliards de personnes repose aujourd’hui presque entièrement sur les cultures de trois céréales : le riz, le blé et le maïs. Pour prévenir la perte de la diversité génétique, un phénomène qui

augmente les risques de maladies ou de parasites susceptibles de nuire d’un seul coup à l’ensemble des monocultures ou du bétail, et pour accroître le rendement des cultures et des élevages, l’industrie alimentaire veut favoriser l’utilisation des organismes génétiquement modifiés (OGM) et le clonage. Cependant, en raison de leur caractère expérimental et de leurs effets potentiels sur l’environnement et sur la santé humaine, les OGM suscitent de nombreuses craintes.

SUGGESTIONS D’ENJEUX

Le défi Afin d’assurer la sécurité alimentaire des populations et de réduire les effets négatifs de l’agriculture, de l’élevage intensif et de la surpêche sur l’environnement, l’adoption d’un principe de développement durable à l’échelle planétaire semble désormais incontournable. Pour relever le défi de la production alimentaire, on devra davantage compter sur une agriculture de proximité, plus diversifiée et biologique, de manière à limiter les intrants chimiques et à préserver la biodiversité.

»

L’agriculture intensive et les émissions de GES

»

L’utilisation des intrants chimiques (pesticides, engrais)

»

La consommation de viande dans les pays industrialisés

»

Les biotechnologies agricoles et la préservation de la diversité biologique

»

L’agriculture biologique

»

Les effets de la surpêche

CITATION

La mondialisation de notre assiette a des conséquences à la fois sociales et environnementales. La spécialisation et l’intensification des modes de production en sont les fers de lance. Dans les campagnes, on constate qu’il y a moins de fermes mais plus d’industries agricoles. Moins de paysans mais plus d’entrepreneurs. Moins de diversité animale et végétale mais plus d’uniformité. Moins d’animaux dehors mais plus de bâtiments sans fenêtres. Moins de biodiversité mais plus de machines, d’OGM, de pesticides, d’engrais chimiques et de lisier dans les cours d’eau.

LAURE WARIDEL (1973-) Sociologue spécialisée en développement international et en environnement, cofondatrice et ancienne présidente d’Équiterre

La production alimentaire

15

16

SOMMAIRE

CHAPITRE

1

SECTION 1

L’organisation de la matière . . . . 25 SECTION 2

Les propriétés des solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 SECTION 3

Les transformations chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

UNIVERS MATÉRIEL

SECTION 4

Les transformations nucléaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 SECTION 5

Les forces et les mouvements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 SECTION 6

Le chapitre Univers matériel présente des concepts liés à la chimie et à la physique. Depuis la fin du 19e siècle, l’évolution fulgurante des connaissances dans ces deux disciplines

Les transformations de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

a permis aux scientifiques de décrire la struc-

SECTION 7

propriétés et les transformations de la matière.

SECTION 8

En parallèle, les découvertes et les théories

Les fluides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 L’électricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 SECTION 9

L’électromagnétisme . . . . . . . . . . 209

ture de l’atome et de mieux expliquer les

dans les domaines des forces et des mouvements, de l’énergie, des fluides, de l’électricité et de l’électromagnétisme ont trouvé de nombreuses applications dans la vie de tous les jours. Le développement rapide des moyens de transport et des technologies de télécommunication au cours du 20e siècle en témoigne. Dans ce chapitre, vous aurez l’occasion de découvrir et d’approfondir les concepts en lien avec l’organisation et les propriétés de la matière, les solutions, les transformations chimiques, les forces, les mouvements et les transformations de l’énergie, ainsi que les phénomènes électriques.

17

L’organisation de la matière Les atomes et les molécules

H

La matière est constituée d’atomes. Dans la nature, les atomes qui composent la plupart des substances sont assemblés en molécules. Les molécules les plus simples peuvent être composées de deux atomes seulement, alors que les plus complexes peuvent en compter des milliers. Dans les molécules, les atomes sont unis entre eux par des liaisons chimiques.

H O

Une représentation de la molécule d’eau.

Le symbole de l’hydrogène

Le symbole de l’oxygène

H2O

On représente les molécules par leur formule chimique. Celle-ci indique le nombre de chacun des atomes qui composent les molécules.

Le nombre 2 indique qu’il y a deux atomes d’hydrogène dans la molécule.

L’absence de nombre indique qu’il y a un seul atome d’oxygène dans la molécule.

La formule chimique de la molécule d’eau.

Le tableau périodique des éléments Le tableau périodique présente tous les atomes connus qui composent la matière et qu’on nomme « éléments ». Il donne, entre autres, le nom de chaque élément, son symbole et son numéro atomique. La plupart des éléments, comme l’oxygène (O), l’azote (N) ou le chlore (Cl), se retrouvent dans la nature, alors que d’autres, comme le plutonium (Pu), sont produits artificiellement en laboratoire. 1 1

18 2

H

1

hydrogène

3

Li

2

lithium

Na

4 37

Mg

K

55

87

Sr

strontium

56

Cs

Ba

césium

7

Ca

calcium

38

Rb

rubidium

6

baryum

88

Fr

francium

3

Ra

radium

21

4 22

Sc

scandium

39

40

Y

yttrium

57

Ti

titane

Zr

zirconium

72

La

lanthane

89

Hf

hafnium

104

Ac

Rf

actinium

rutherfordium

58 6

Ce

cérium

90 7

Th

thorium

1

H hydrogène

5 23

V

6 24

vanadium

41

Nb Ta

Db

dubnium

59

Pr

43

molybdène

technétium

74

75

Mo

Pa

W

tungstène

106

Sg

seaborgium

60

Nd

praséodyme

91

Mn

néodyme

92

protactinium

Le numéro atomique Le symbole chimique

Tc Re

rhénium

107

Bh

bohrium

61

Pm

prométhium

93

U

Np

uranium

8 26

manganèse

42

tantale

105

Cr

chrome

nobium

73

7 25

neptunium

Fe fer

44

Ru

ruthénium

76

Os

osmium

108

Hs

hassium

62

Sm

samarium

94

Pu

plutonium

9 27

Co

cobalt

45

Rh

rhodium

77

Ir

iridium

109

Mt

10 28

Ni

nickel

46

Pd

palladium

78

Pt

11 29

Cu

cuivre

47

Ag

79

Au

Ds

48

Rg

80

Hg

mercure

112

Uub

meitnerium darmstadtium roentgenium

63

Eu

europium

95

Am

américium

64

Gd

gadolinium

96

Cm

curium

Phase (à 25 °C)

65

Tb

terbium

97

Bk

berkélium

Chapitre 1 Univers matériel

Cd

cadmium

or

111

Zn zinc

argent

platine

110

12 30

ununbium

66

Dy

dysprosium

98

Cf

californium

Al

aluminium

31

Ga

gallium

49

In

14 6

C

TI

thallium

113

Uut

ununtrium

67

Ho

holmium

99

Es

einsteinium

N

carbone

14

Si

silicium

32

Ge

germanium

50

indium

81

15 7

Sn étain

82

Pb

plomb

azote

15

P

phosphore

33

As

arsenic

51

Sb

antimoine

83

Bi

bismuth

114

115

ununquadium

ununpentium

68

69

Uuq Er

erbium

100

Fm

fermium

16 8

O S

soufre

34

Se

sélénium

52

F

Te

84

Po

polonium

Cl

chlore

35

Br

brome

53

I iode

85

At

astate

Uup Tm

thulium

101

Md

mendélévium

70

Yb

ytterbium

102

No

nobélium

Liquide

Solide artificiel

He hélium

10

Ne

fluor

17

tellure

Solide

Le nom de l’élément

17 9

oxygène

16

Gazeuse

Le tableau périodique des éléments.

18

B bore

13

magnésium

20

potassium

5

Be

12

sodium

19

5

béryllium

11 3

13

2 4

71

Lu

lutétium

103

Lr

lawrencium

néon

18

Ar

argon

36

Kr

krypton

54

Xe

xénon

86

Rn

radon

Les substances pures, les éléments et les composés Une substance pure est constituée d’une seule sorte d’atomes ou de molécules.

Or (Au)

Lorsqu’une substance pure est composée d’une seule sorte d’atomes, on nomme cette substance un « élément » ; l’or pur (Au) et le dioxygène (O2), par exemple, sont des éléments. Lorsqu’une substance pure est composée de plusieurs sortes d’atomes qui forment des molécules, on nomme cette substance un « composé ». Le sulfate de cuivre (CuSO4) et l’hydroxyde de sodium (NaOH) sont des exemples de composés, et les atomes qui les constituent sont liés chimiquement.

Sulfate de cuivre (CuSO4)

Hydroxyde de sodium (NaOH) Dioxygène (O2)

Des exemples de composés.

Des exemples d’éléments.

Les mélanges homogènes et hétérogènes Un mélange est une substance qui contient plusieurs substances pures. Les mélanges homogènes sont composés d’au moins deux substances pures qui se répartissent uniformément dans le mélange. L’eau salée ou l’air sont des exemples de mélanges homogènes ; on n’y distingue qu’une seule phase visible. Les mélanges hétérogènes sont composés d’au moins deux substances pures qui ne se répartissent pas uniformément dans le mélange. L’eau sablonneuse ou une vinaigrette sont des mélanges hétérogènes ; on y distingue plusieurs phases visibles.

L’eau salée non saturée est un mélange homogène.

L’eau sablonneuse est un mélange hétérogène.

Rappel

19

Les propriétés de la matière Les propriétés des solutions • Une solution est un mélange homogène formé d’un ou de plusieurs solutés et d’un solvant. Le soluté est la substance qui est dissoute par un solvant. • Les solutions sont dotées de propriétés qui varient selon la nature et la quantité du ou des solutés qu’on y a dissous. • Une solution concentrée contient une quantité importante de soluté dissous par volume de solution. Une solution diluée contient une faible quantité de soluté dissous par rapport au volume de solution. • On peut mesurer précisément la concentration d’une solution en calculant le rapport entre la quantité de soluté utilisée et la quantité totale de solution.

Concentration 

Quantité de soluté Quantité de solution

• La concentration peut être exprimée en unités de masse ou de volume, soit en gramme/litre (g/L) ou en millilitre/litre (mL/L). Elle peut également être exprimée en pourcentage masse/masse (% m/m), en pourcentage masse/volume (% m/V) ou en pourcentage volume/volume (% V/V).

Les propriétés chimiques Les propriétés chimiques décrivent la façon dont réagissent deux substances au contact l’une de l’autre. Elles concernent des réactions chimiques dont les indices peuvent être l’apparition d’un gaz, un changement de couleur, la formation d’un précipité ou une variation d’énergie sous forme de chaleur, de lumière ou d’explosion. À l’aide d’indicateurs, on utilise les différentes propriétés chimiques caractéristiques pour identifier les substances.

Le papier tournesol est un indicateur permettant de détecter la présence d’acides et de bases.

Les propriétés physiques On peut observer ou mesurer les propriétés physiques caractéristiques sans que la nature d’une substance pure soit modifiée. • Les points de fusion et d’ébullition sont les températures auxquelles les substances changent d’état (solide à liquide, liquide à gazeux). Or, chaque substance pure possède des points de fusion et d’ébullition spécifiques, à une pression donnée. • La masse volumique est la mesure de la quantité de matière qui se trouve dans un volume donné. Elle correspond au rapport entre la masse d’une substance, à l’état solide, liquide ou gazeux, et le volume que la substance occupe à une température et à une pression données. • La solubilité est la quantité maximale de soluté pouvant être dissoute dans un volume donné de solvant, à une température et à une pression données. On qualifie alors de « saturée » la solution obtenue.

20

Chapitre 1 Univers matériel

Les propriétés caractéristiques et non caractéristiques Exemples de propriétés physiques et chimiques caractéristiques

Les propriétés caractéristiques sont des propriétés physiques ou chimiques qui permettent d’identifier précisément une substance ou un groupe de substances.

Propriétés chimiques : réactions à des indicateurs Propriété

Les propriétés non caractéristiques sont des propriétés partagées par un grand nombre de substances, ou qui ne sont pas constantes pour la même substance. Ces propriétés ne permettent pas d’identifier précisément une substance. La couleur et l’odeur sont des exemples de propriétés non caractéristiques.

Indicateur

Propriétés physiques

pH (acidité ou basicité d’une substance)

Papier tournesol

Point de fusion

Présence d’eau

Papier de dichlorure de cobalt

Point d’ébullition

Présence de CO2

Eau de chaux

Masse volumique

Présence d’une substance pouvant causer une combustion

Tison

Solubilité

Présence d’un gaz explosif

Éclisse de bois enflammée

Certains tableaux permettent de trouver rapidement l’information relative aux propriétés de nombreuses substances. Exemples de propriétés caractéristiques et non caractéristiques des substances Propriétés non caractéristiques

Propriétés caractéristiques Substance

Quelques propriétés chimiques

Dioxygène (O2 (g))

Enflamme le tison (combustion).

Acide acétique (CH3COOH (l))

Le papier tournesol devient rose (acide).

Éthanol (C2H6O (l))

Une flamme bleue apparaît lors de la combustion.

Eau (H2O (l))

La papier de dichlorure de cobalt devient rose.

Chlorure de sodium (NaCl (s)) (g) : Phase gazeuse

(l) : Phase liquide

Température de fusion (°C)

– 218

16,6

Quelques propriétés physiques Température Masse volumique d’ébullition (°C) (g/mL à 25 °C)

– 183

0,001 43

Solubilité dans l’eau à 25 °C

8,26 mg/L

Aspect visuel et autres

Gaz incolore et inodore

118

1,05

Oui

Liquide incolore avec odeur de vinaigre

117

78

0,78

Oui

Liquide incolore avec légère odeur d’alcool

0

100

0,99

801

1 413

2,17

Liquide inodore et incolore 35,7 g/100 mL

Solide formé de cristaux blanchâtres et de forme cubique

(s) : Phase solide

Rappel

21

Les transformations de la matière Le modèle particulaire Le modèle particulaire est un modèle scientifique permettant d’expliquer certaines des propriétés et des transformations de la matière. On le définit à l’aide des énoncés suivants : • Toute matière se compose de particules (atomes et molécules). • Chaque substance pure possède son propre type de particules. • Les particules s’attirent mutuellement et sont toujours en mouvement. • Les particules dont la température est élevée se déplacent plus rapidement ou possèdent une vibration plus grande, en moyenne, que celles d’une substance dont la température est plus basse.

L’arrangement particulaire d’un solide.

L’arrangement particulaire d’un liquide.

L’arrangement particulaire d’un gaz.

Les transformations chimiques Une transformation chimique se produit lorsque des substances, les réactifs, interagissent pour former de nouvelles substances, les produits. Des équations chimiques représentent ces transformations. Il existe différents types de réactions chimiques susceptibles de produire les transformations chimiques, dont voici les plus courantes : • Une réaction de synthèse se produit lorsque deux ou plusieurs réactifs se combinent pour former un nouveau produit.

• Une réaction de décomposition se produit lorsqu’un composé se transforme en deux ou en plusieurs substances.

22

Chapitre 1 Univers matériel



C + D (Produits)

La flèche signifie « se transforme en ».

La forme générale d’une équation chimique.

Cl2 (g)  2 Na (s)  2 NaCl (s)

2 H2O (l)  2 H2 (g) + O2 (g)

• Une réaction d’oxydation se produit lorsqu’une substance se combine avec un ou plusieurs atomes d’oxygène.

• Une réaction de précipitation se produit lorsque deux substances en solution interagissent pour former un composé insoluble ou peu soluble (appelé « précipité ») dans la nouvelle solution obtenue.

A + B (Réactifs)

2 Mg (s) + O2 (g)  2 MgO (s)

Pb(NO3) 2 (aq) + 2KI (aq)  PbI2 (s) + 2 KNO3 (aq) Précipité

Phase gazeuse

Co

n tio ma bli

n

on

ti sa

Su

tio sa en nd ide Co liqu

ori

• Les changements de phase se produisent lorsqu’une substance passe d’un état (solide, liquide ou gazeux) à un autre. Seule l’apparence de la substance est alors modifiée.

p Va

Une transformation physique s’opère lorsqu’une substance subit un changement de son apparence qui ne modifie ni sa nature ni ses propriétées caractéristiques. Voici quatre types de transformations physiques :

nd e so nsat lid ion e

Les transformations physiques

Fusion Phase solide

Solidification

Phase liquide

Les changements de phase de la matière.

• Les changements de formes comme le laminage, le déchiquetage, le pliage et le moulage modifient également l’apparence des substances. • La dissolution est l’action de mélanger complètement un ou plusieurs solutés avec un solvant afin de former une solution. La surface de contact du soluté, l’agitation de la solution ou sa température peuvent influer sur le taux de dissolution. • La dilution est un procédé qui permet de diminuer la concentration d’un soluté dans une solution. On l’effectue en ajoutant du solvant à la solution ou à une partie de la solution.

Le cube de sucre est plus lent à se dissoudre que le sucre en cristaux parce que sa surface de contact est plus petite.

Une solution est de plus en plus diluée lorsque le nombre de particules de soluté reste le même alors que le volume de solvant augmente.

Les formes d’énergie L’énergie se présente sous quatre formes principales : • L’énergie chimique est contenue dans les liaisons chimiques qui unissent les atomes et les molécules. • L’énergie mécanique est liée au mouvement d’un corps ou à sa position dans l’espace. • L’énergie thermique est contenue dans un corps et est due au mouvement interne des particules. • L’énergie rayonnante est contenue dans les ondes électromagnétiques (lumière visible, rayons X, etc.).

Le Soleil est une source d’énergie rayonnante.

Rappel

23

Les fluides La pression La pression est la mesure d’une force exercée sur une surface, dont l’unité de mesure est le newton par mètre carré (N/m2) ou le pascal (Pa). Cette pression se calcule selon la formule suivante :

P =

F A



P = Pression, exprimée en newtons par mètre carré ou en pascals (en N/m2 ou Pa) F = Force, exprimée en newtons (N) A = Aire, exprimée en mètres carrés (m2)

La formule de la pression indique que si on augmente la force appliquée sur une surface donnée, la pression augmentera proportionnellement à cette force. Toutefois, si on augmente l’aire sur laquelle la force est appliquée, la pression diminuera proportionnellement. L’unité de mesure de la pression utilisée par le système international (SI) est le pascal (Pa). Il équivaut à 1 N/m2. Le kilopascal (kPa) est utilisé pour mesurer de grandes pressions, comme la pression atmosphérique, dont la valeur moyenne est de 101,3 kPa.

Les fluides compressibles et incompressibles Les substances à l’état liquide ou gazeux sont des fluides, et elles ont la capacité de s’écouler dans toutes les directions. De plus, les fluides ont la particularité d’exercer une pression égale dans toutes les directions. Les fluides gazeux sont des fluides dits « compressibles » parce qu’ils peuvent diminuer de volume sous l’effet d’une force. Cela est dû au fait que les particules qui composent les gaz sont éloignées les unes des autres et qu’elles peuvent se rapprocher lorsqu’on les comprime. Les fluides liquides sont des fluides dits « incompressibles » parce que leurs particules sont trop rapprochées les unes des autres pour être rapprochées davantage sous l’effet d’une force.

24

Chapitre 1 Univers matériel

Un gaz est un fluide compressible.

SECTION

Q

u’est-ce que la matière ? C’est là une question qui intrigue les êtres humains depuis très longtemps, et c’est pour tenter d’y répondre que le modèle atomique a été conçu et développé. En science, on entend par « modèle » la représentation théorique d’une réalité invisible, non tangible ou difficile à concevoir. Le modèle atomique explique la façon dont la matière est organisée à très petite échelle; il permet donc de se représenter l’infiniment petit. Le modèle atomique n’est cependant pas une représentation définitive de la réalité, ni l’œuvre d’une seule personne. Il a été élaboré grâce aux contributions de nombreux penseurs et scientifiques, et ce, depuis l’Antiquité. De nos jours, plusieurs scientifiques continuent d’ailleurs d’y apporter des améliorations. Le modèle atomique est constamment ajusté et complété pour tenir compte des nouvelles observations et découvertes rendues possibles grâce aux innovations scientifiques et technologiques.

1 L’organisation de la matière

1.1

Le modèle atomique de Rutherford-Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . 28 ST

1.2

Le modèle atomique simplifié et le neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 STE

1.3 1.4

ST

STE

SE

Les familles et les périodes du tableau périodique . . . . . . . . . . . . . 36 STE

La masse atomique relative et les isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 STE

1.6 1.7

SE

La notation de Lewis . . . . . . . . . . . . . . . 35

ST

1.5

STE

SE

La périodicité des propriétés . . . . . . 48 STE

La notion de mole et le nombre d’Avogadro . . . . . . . . . . . 51 STE

SE

25

Les modèles atomiques de l’Antiquité grecque Le philosophe grec Démocrite (460-370 av. J.-C.) est le premier à proposer l’existence des atomes. Sa théorie stipule que la matière est constituée de particules infiniment petites et indivisibles, appelées « atomes » ; le mot « atome » provient du grec atomos, qui signifie « impossible à couper ». Selon Démocrite, la matière est discontinue, c’est-à-dire qu’elle est constituée d’atomes séparés par du vide (voir la figure 1).

Figure 1 Dans la théorie atomiste de Démocrite, les atomes s’assemblent en particules de différentes formes séparées par du vide. Démocrite décrit les atomes comme étant lisses ou rudes, crochus, recourbés ou ronds.

Le philosophe grec Aristote (384-322 av. J.-C.) n’accepte pas l’idée que la nature puisse contenir une quelconque forme de vide. Il reprend donc par la suite une théorie proposée par Empédocle (484-424 av. J.-C.) près d’un siècle plus tôt. Selon cette théorie, la matière est composée de quatre éléments : la terre, l’air, le feu et l’eau ; de plus, elle apparaît continue (elle ne contient aucun vide) et est divisible à l’infini. La très grande influence d’Aristote sur la pensée antique fait en sorte que la théorie atomiste de Démocrite est complètement écartée. Pourquoi la théorie d’Aristote, qui exclut l’existence du vide, s’est-elle imposée ? C’est qu’il n’existait pas, à cette époque, de méthodes de recherche basées sur l’expérimentation. En effet, environ 450 ans avant notre ère, la pensée des savants, qu’on appelait alors « philosophes », s’appuyait principalement sur l’observation et non sur l’expérimentation méthodique. Ainsi, les théories avancées étaient acceptées ou rejetées à partir de critères non scientifiques.

Le modèle atomique de Dalton (1808)

Figure 2 Le modèle atomique de Dalton, également nommé « modèle de la boule de billard ». Cinq éléments différents sont représentés ici.

Il faudra près de 2 000 ans pour que la théorie des atomes élaborée par Démocrite refasse surface grâce à John Dalton (1766-1844), un chimiste et physicien anglais. Dans sa théorie publiée en 1808, Dalton propose que même si la matière apparaît continue à l’œil nu, elle est discontinue à l’échelle atomique (voir la figure 2). Voici les points les plus importants de la théorie de Dalton : • La matière est constituée d’atomes qui sont des sphères pleines, indivisibles et indestructibles. • Tous les atomes d’un élément sont identiques, mais ils diffèrent et se distinguent d’un élément à l’autre par leur masse et leur taille. • Il est impossible de transformer les atomes d’un élément en ceux d’un autre élément. • Les atomes de différents éléments peuvent se combiner dans des proportions déterminées pour former de nouveaux composés.

Le modèle atomique de Thomson (1897)

Figure 3 Le modèle de Thomson, surnommé « plum-pudding », à l’image d’un gâteau d’origine anglaise contenant des raisins secs.

26

Chapitre 1 Univers matériel

À la fin du 19e siècle, le physicien anglais Joseph John Thomson (1856-1940) produit expérimentalement des faisceaux de particules dont on ignore alors la nature. Il démontre que ces particules sont beaucoup plus petites que les atomes dont elles proviennent (voir la figure 4). En poursuivant ses expériences, Thomson découvre l’électron et apporte des modifications au modèle de Dalton, en proposant un modèle atomique surnommé « plum-pudding » (voir la figure 3).

Voici les points les plus importants du modèle de Thomson : • L’atome est une sphère pleine qui contient des particules de taille inférieure appelées « électrons ». • Les électrons portent des charges négatives et leur masse est très faible. • Les électrons sont répartis uniformément dans la sphère pleine. Cette sphère, de charge positive, annule la charge négative des électrons.

L’expérience de J. J. Thomson Pour réaliser son expérience, Thomson utilise un montage comprenant un tube à décharge électrique, appelé tube cathodique. Il s’agit d’un tube fermé, dans lequel on a fait le vide et dont une extrémité est en forme d’ampoule. À l’autre extrémité du tube se trouvent deux électrodes : la cathode (électrode négative) et l’anode (électrode positive) (voir la figure 4 ). En soumettant les électrodes à des courants électriques, on produit un faisceau de lumière qui semble provenir de la cathode. C’est ce qu’on appelle le rayon cathodique. À l’aide de plaques électrifiées, on peut faire dévier la trajectoire de ce rayon. En utilisant ce montage, Thomson réussit à montrer que les particules négatives arrachées à la cathode ont une masse inférieure à celle des atomes dont ils sont issus et affirme qu’il s’agit d’électrons. REPÈRE Source d’alimentation

Faisceau de particules

JOSEPH JOHN THOMSON

Trajectoire non déviée

Physicien anglais (1856-1940)

Anode Source d’alimentation

Cathode

Plaques électrifiées

Tube cathodique

Trajectoire déviée Ampoule vide

Figure 4 Le montage utilisé par J. J. Thomson pour dévier des rayons cathodiques dans le vide.

Même si le père de J. J. Thomson veut que son fils devienne ingénieur, Thomson choisit plutôt de faire des études en mathématique, qu’il termine avec brio, pour finalement devenir physicien. Il découvre l’existence des électrons en 1897. En montrant que l’électron est une sousparticule de l’atome, il prouve que ce dernier est divisible; il reçoit le prix Nobel de physique en 1906.

Le modèle atomique de Nagaoka (1904) Alors que Thomson élabore son modèle atomique, le physicien japonais Hantaro Nagaoka (1865-1950) propose quant à lui un autre modèle atomique, le modèle saturnien. Selon Nagaoka, les électrons se trouvent en dehors de la sphère de charge positive et se déplacent autour d’elle en formant un anneau semblable aux anneaux de Saturne (voir la figure 5).

Figure 5 Le modèle atomique de Nagaoka, dans lequel les électrons sont disposés sur un plan semblable aux anneaux de Saturne.

Section 1 L’organisation de la matière

27

CONCEPT

1.1 Le modèle atomique de Rutherford-Bohr ST

STE

Le modèle atomique de Rutherford-Bohr présente l’atome comme un noyau formé de protons autour duquel gravitent les électrons dans un espace vide. Au début du 20 e siècle, la recherche sur l’infiniment petit progresse très rapidement. Les modèles proposés par Thomson (1897) et Nagaoka (1904) apportent des explications utiles, mais encore insuffisantes. De nouvelles expériences, rendues possibles grâce au développement de la technologie, sont nécessaires pour perfectionner l’idée qu’on se fait de l’atome.

1.1.1

Le modèle de Rutherford (1911)

*

des atomes.

Prédiction

Feuille d’or

Observation

Faisceau de particules alpha

Feuille d’or

Conclusion : le modèle nucléaire Noyau minuscule et massif Noyau Électrons se déplaçant rapidement autour du noyau Atome

Figure 6 La prédiction, l’observation et la conclusion de Rutherford.

28

Chapitre 1 Univers matériel

STE

Ernest Rutherford (1871-1937) s’intéresse aux modèles atomiques de Thomson et de Nagaoka. Dans son laboratoire, il perfectionne une expérience dans laquelle il bombarde une mince feuille d’or à l’aide de particules alpha . Son hypothèse est que si l’atome est une sphère pleine comme l’indique le modèle de Thomson, les particules alpha traverseront les atomes en subissant toutes la même déviation. Et, de fait, la plupart des particules traversent la feuille comme il l’avait prévu. Toutefois, il constate qu’un petit nombre de particules subissent de grandes déviations comme si elles heurtaient un obstacle plus compact (voir la figure 6).

alpha Particule de charge * Particule positive plus petite que la majorité

Faisceau de particules alpha

ST

À partir de ce résultat inattendu, Rutherford conclut que le modèle de Thomson est inexact. Il élabore une première version d’un nouveau modèle atomique qui introduit pour la première fois la notion de noyau petit et dense, situé au centre de l’atome et doté d’une charge positive. C’est ce noyau, autour duquel tournent les électrons, qui est responsable de la déviation plus prononcée de certaines des particules alpha. De plus, comme le nombre de particules non déviées est de beaucoup supérieur à celui des particules déviées, ils suppose que les particules non déviées traversent un espace vide sur leur passage et que le volume de l’atome est essentiellement occupé par du vide. Rutherford continue ses recherches pour comprendre la structure du noyau. En 1919, il découvre l’existence de petites particules de charge positive constituant le noyau qu’il nomme protons. Ces découvertes amènent donc Rutherford à modifier légèrement la première version de son modèle pour tenir compte de l’existence des protons. Voici les points les plus importants du modèle atomique proposé par Rutherford : • L’atome est principalement formé d’espace vide. • L’atome renferme en son centre un noyau qui est une minuscule structure extrêmement dense contenant presque toute la masse de l’atome.

• Le noyau contient des protons de charge positive. • Les électrons, en nombre égal aux protons, circulent autour du noyau dans un espace qui forme une sphère d’une taille environ 100 000 fois supérieure à celle du noyau lui-même. Le modèle atomique de Rutherford présente donc l’atome comme un noyau très petit et très dense formé de protons de charge positive, et entouré d’un grand espace vide où gravitent les électrons (voir la figure 7). En proposant un modèle d’atome dont le volume est principalement occupé par du vide, Rutherford révolutionne l’idée admise jusque-là que les atomes sont des boules compactes à l’intérieur desquelles n’existe aucun vide.

Figure 7 Le modèle atomique de Rutherford (1911). Le diamètre de l’atome est environ 100 000 fois plus grand que celui du noyau.

REPÈRE

L’expérience de Rutherford Pour comprendre la structure de l’atome, Rutherford et ses collaborateurs mettent au point une expérience dans laquelle ils bombardent des feuilles d’or extrêmement minces (103 mm d’épaisseur) avec des particules alpha, pour analyser le comportement des projectiles lorsqu’ils arrivent à la feuille de métal. Le montage utilisé est relativement simple (voir la figure 8 ). Ce montage nécessite une source radioactive qui émet un faisceau étroit de particules alpha en direction d’une mince feuille d’or. Il faut aussi un écran fluorescent situé à une cinquantaine de centimètres de la feuille d’or pour recevoir les particules alpha. Cet écran est recouvert de sulfure de zinc, une substance qui émet de la lumière lorsqu’une particule alpha la frappe ou y laisse une trace. Il suffit alors de regarder, à l’aide d’un microscope, où les scintillations se sont produites pour voir les déviations subies par les particules alpha.

Scintillation

Rayon dévié

Rayon de particules alpha Radium Feuille d’or

Cube de plomb

Figure 8 Le montage expérimental utilisé par Rutherford et ses collaborateurs.

Écran en sulfure de zinc

ERNEST RUTHERFORD Physicien néo-zélandais (1871-1937) Ernest Rutherford est un pionnier de la physique nucléaire. Entre autres, il découvre et décrit les particules radioactives alpha et bêta, et reçoit un prix Nobel en 1908 pour ses travaux alors qu’il est chercheur et professeur à l’Université McGill, à Montréal. Il découvre ensuite l’existence du noyau dense à l’intérieur des atomes ainsi que celle des protons, et il élabore un nouveau modèle atomique. Il est le premier à effectuer une transmutation artificielle, c’est-à-dire à transformer un atome en un autre atome (azote en oxygène). Rutherford a une grande influence sur la science de son temps. Il est d’ailleurs enterré dans l’abbaye de Westminster, à Londres, aux côtés d’Isaac Newton (16421727).

Section 1 L’organisation de la matière

29

1.1.2

La contribution de Bohr (1913)

ST

STE

Le modèle de Rutherford apporte plusieurs informations utiles sur la structure interne de l’atome ; toutefois, il comporte aussi des lacunes. Il n’explique pas pourquoi les électrons, attirés par les protons du noyau, ne vont pas s’écraser sur celui-ci, ni pourquoi les protons restent regroupés dans le noyau alors qu’ils devraient se repousser. Niels Bohr (1885-1962) s’intéresse à la première question, en examinant les résultats d’expériences portant sur la lumière émise par des atomes d’hydrogène La contribution de Bohr La lumière visible peut être décomposée en ses différentes longueurs d’onde par un prisme ou un spectroscope. Le résultat ainsi obtenu s’appelle le spectre de la lumière visible. C’est un spectre continu, comme celui qui est visible lors de la formation d’un arc-en-ciel, dans lequel chaque goutte d’eau agit comme un minuscule prisme. Lorsque Bohr s’intéresse aux électrons, on sait déjà que les atomes émettent de la lumière quand ils sont « excités » par la chaleur ou par une décharge électrique. À l’aide d’un montage expérimental, il est possible de décomposer cette lumière émise par les atomes en un spectre qui est discontinu, contrairement à celui de la lumière visible. On observe alors la formation de raies de couleur distinctes (voir la figure 9 ). Fentes

Prisme

Gaz Tube à décharge électrique

Figure 9 Le montage expérimental permettant d’obtenir le spectre d’un gaz.

Lors de la décomposition de la lumière émise par les atomes d’un gaz, chaque raie de couleur distincte correspond à une variation de l’énergie d’un électron quand il passe d’un niveau supérieur d’énergie à un niveau inférieur (voir la figure 10 ). Orbites La chaleur ou l’électricité excite l’électron, qui est projeté sur une orbite supérieure.

Lors du retour de l’électron à son orbite initiale, il y a dégagement d’énergie sous forme de lumière.

Noyau

Noyau Orbites

a) Un électron est projeté vers une orbite

supérieure.

b) Les couleurs correspondent à la différence

d’énergie entre les niveaux d’énergie.

Figure 10 Le spectre d’un atome et les niveaux d’énergie de ses électrons.

30

Chapitre 1 Univers matériel

lorsqu’on les soumet à la chaleur ou à une décharge électrique (voir la figure 9, à la page 30). En interprétant les résultats de ces expériences, il fait les conclusions suivantes : • Les électrons ne circulent pas au hasard autour du noyau mais plutôt sur des orbites bien précises appelées couches électroniques. • Chaque couche électronique correspond à un niveau d’énergie constant. En circulant sur un niveau d’énergie donné, l’électron conserve son énergie et ne « s’écrase » pas sur le noyau.

Couche électronique interne Niveau d’énergie le plus bas

• Lorsqu’un électron est excité par l’absorption d’énergie supplémentaire, il peut passer à une orbite plus éloignée du noyau qu’il quittera rapidement pour revenir à son orbite initiale tout en libérant, sous forme de lumière, l’énergie qu’il avait absorbée. En combinant la découverte de Bohr avec celle de Rutherford, on obtient le modèle atomique de Rutherford-Bohr. Selon ce modèle, l’atome est constitué d’un petit noyau contenant des protons, des particules de charge positive, entouré d’un espace vide dans lequel gravitent les électrons (voir la figure 11).

REPÈRE

NIELS BOHR Physicien danois (1885-1962)

Couche électronique externe Niveau d’énergie le plus élevé

Figure 11 Le modèle atomique de Rutherford-Bohr (1913), aussi appelé « modèle planétaire ».

Le numéro atomique et la configuration électronique STE

1.1.3

C’est Henry Moseley (1887-1915), un étudiant de Rutherford, qui découvre que la charge positive du noyau atomique augmente selon le nombre de protons contenus dans celui-ci. Il propose alors le concept de numéro atomique (symbolisé par la lettre Z), qu’il définit comme le nombre de protons contenus dans le noyau d’un atome de chaque élément.

Après son doctorat effectué au Danemark, Niels Bohr part en Angleterre dans l’espoir de travailler avec J. J. Thomson, tel que Rutherford l’a fait avant lui. Cependant, comme Thomson n’est pas intéressé par ses idées, Bohr s’installe dans le laboratoire de Rutherford. Avec sa découverte des niveaux d’énergie (ou niveaux quantiques) dans lesquels circulent les électrons, il améliore le modèle atomique de Rutherford et devient l’un des fondateurs de la physique quantique. Bohr travaille aussi sur la fission nucléaire.

Les atomes sont électriquement neutres, c’est-à-dire qu’ils possèdent autant de protons (charge positive) que d’électrons (charge négative). Le numéro atomique d’un élément renseigne ainsi à la fois sur le nombre de protons et le nombre d’électrons d’un atome d’un élément. Par exemple, le numéro atomique de l’oxygène (O) est 8, ce qui signifie qu’un atome d’oxygène contient 8 protons et 8 électrons. Le numéro atomique du carbone (C) est 6, ce qui signifie qu’un atome de carbone contient 6 protons et 6 électrons. Le modèle atomique de Rutherford-Bohr permet de représenter l’atome au moyen de ses couches électroniques. Chaque couche électronique correspond à une quantité d’énergie précise que possèdent les électrons qui y circulent. Plus un électron est éloigné du noyau (dernières couches électroniques), plus son énergie est élevée. Au contraire, plus un électron est près du noyau (premières couches électroniques), plus son énergie est faible. On appelle configuration électronique la répartition des électrons d’un atome sur les différentes couches électroniques.

Section 1 L’organisation de la matière

31

Les atomes peuvent posséder entre une et sept couches électroniques contenant chacune un nombre maximum d’électrons qu’on détermine par la formule suivante : 2n 2 où n  le numéro de la couche électronique La première couche électronique est celle qui est le plus près du noyau : elle peut contenir deux électrons au maximum. La deuxième couche peut accueillir un nombre maximal de huit électrons, la troisième, 18 électrons, la quatrième, 32 électrons, et ainsi de suite (voir la figure 12 a à c).

périphérique Couche * Couche contenant les électrons les plus éloignés du noyau d’un atome.

Lorsqu’on représente la configuration électronique d’un atome, il faut s’assurer que les couches électroniques de niveau inférieur d’énergie soient pleines avant de disposer des électrons sur les couches de niveau supérieur d’énergie. Toutefois, il est important de remarquer qu’un atome ne possédera jamais plus de 8 électrons sur sa dernière couche, qu’on appelle couche périphérique . Ainsi, la configuration électronique du potassium (K) sera de 2,8,8,1 et celle du calcium (Ca) de 2,8,8,2 (voir la figure 12 d et e).

*

a) L’hélium (He)

Z2 Configuration : 2

d) Le potassium (K)

Z  19 Configuration : 2, 8, 8, 1 REPÈRE

HENRY MOSELEY Physicien anglais (1887-1915) En 1913, Henry Moseley détermine expérimentalement, au moyen de rayons X, le nombre de protons de chaque élément. À partir de cette découverte, on classe les éléments en ordre croissant de numéros atomiques. Ce classement basé sur la structure de l’atome permet de mieux expliquer pourquoi certains éléments possèdent des propriétés semblables.

32

Chapitre 1 Univers matériel

b) Le lithium (Li)

Z3 Configuration : 2, 1

c) Le sodium (Na)

Z  11 Configuration : 2, 8, 1

e) Le calcium (Ca)

Z  20 Configuration : 2, 8, 8, 2

Figure 12 La configuration électronique d’éléments contenant de une à quatre couches.

C’est seulement à compter des éléments portant les numéros atomiques 21, 22 et 23 (le scandium, le titane et le vanadium) que les électrons continuent de compléter la 3 e couche électronique (voir la figure 13) tout en conservant un nombre d’électrons inférieur à huit sur la couche périphérique.

a) Le scandium (Sc)

Z  21 Configuration : 2, 8, 9, 2

b) Le titane (Ti)

Z  22 Configuration : 2, 8, 10, 2

c) Le vanadium (V)

Z  23 Configuration : 2, 8, 11, 2

Figure 13 La configuration électronique d’éléments pour lesquels les électrons continuent de compléter la 3e couche.

CONCEPT

1.2 Le modèle atomique simplifié et le neutron STE SE

Le modèle atomique simplifié présente l’atome comme un noyau formé de protons et de neutrons autour duquel gravitent les électrons sur des couches électroniques. Grâce à son concept de couches électroniques, Niels Bohr réussit à expliquer pourquoi les électrons ne « s’écrasent » pas sur le noyau. Toutefois, le modèle atomique de Rutherford-Bohr n’explique pas comment des protons, censés se repousser, peuvent exister dans un espace aussi petit que le noyau (car deux charges de signes identiques se repoussent mutuellement). C’est James Chadwick qui trouve l’explication en découvrant une troisième particule élémentaire : le neutron. Les neutrons sont des particules neutres (sans charge électrique) qui se trouvent à l’intérieur du noyau, avec les protons auxquels ils se lient très fortement. Ce sont les neutrons qui assurent la cohésion du noyau atomique.

Voir La charge électrique, p. 174.

La masse du neutron est quasi égale à celle du proton (voir le tableau 1). En comparaison, la masse de l’électron, environ 1 836 fois plus petite, est négligeable. C’est donc le noyau de l’atome qui renferme les deux particules élémentaires les plus lourdes, le proton et le neutron, aussi appelés nucléons.

Tableau 1 Les propriétés des protons, des neutrons et des électrons Particule

Position dans l’atome

Symbole

Charge

Masse

Proton

P

1

1,672  1024 g

Dans le noyau

Neutron

n0

0

1,674  1024 g

Dans le noyau

Électron

e

1

9,109  1028 g

Autour du noyau

Le modèle de Rutherford-Bohr est donc modifié pour tenir compte de la présence des neutrons dans le noyau atomique ; il devient le modèle atomique simplifié qui présente l’atome comme un noyau formé de protons et de neutrons autour duquel gravitent les électrons sur des couches électroniques qui correspondent à des niveaux d’énergie définis (voir la figure 14).

Proton Neutron

Électron Noyau

Couche électronique

Figure 14 Le modèle atomique simplifié.

REPÈRE

JAMES CHADWICK Physicien britannique (1891-1974) James Chadwick, l’un des physiciens les plus renommés du 20e siècle, connaît un début de carrière singulier. En se présentant à l’Université de Manchester (G.-B.) pour devenir mathématicien, il se retrouve dans la file d’inscriptions du programme de physique. Trop gêné pour avouer son erreur, il commence le programme, ce qui le mène à une brillante carrière de physicien. Il travaille notamment avec Rutherford, avec lequel il suppose l’existence d’une troisième particule élémentaire sans charge présente dans le noyau atomique. Douze ans plus tard, il prouve enfin l’existence de cette particule, le neutron.

Section 1 L’organisation de la matière

33

Be

Na 2

2

Ar 2

8

1

b) Le sodium (Na)

a) Le béryllium (Be)

Z=4 Configuration : 2, 2

L’atome peut être représenté de façon plus schématisée. En effet, il s’agit d’utiliser le symbole chimique d’un élément en guise de noyau et de ne tracer que des arcs de cercles en guise de couches électroniques, sous lesquels on indique le nombre d’électrons qui s’y trouvent (voir la figure 15).

Z = 11 Configuration : 2, 8, 1

2

8

8

c) L’argon (Ar)

Z = 18 Configuration : 2, 8, 8

Figure 15 Les configurations électroniques du béryllium (Be), du sodium (Na) et de l’argon (Ar).

Le modèle atomique exposé ici est qualifié de « simplifié » par comparaison aux modèles qui ont été élaborés plus tard par d’autres chercheurs. De nos jours, le modèle atomique le plus couramment utilisé par les chercheurs est fondé sur une théorie élaborée dans les années 1920. Dans ce modèle atomique (modèle atomique quantique), les électrons occupent des espaces qui forment un nuage électronique autour du noyau. Ces espaces, appelés orbitales, représentent des zones de probabilités dans lesquelles on trouve les électrons selon leur niveau d’énergie.

L’accélérateur de particules En poussant plus loin la technique du bombardement de particules imaginée par Rutherford, les physiciens mettent au point d’immenses canons à particules appelés « accélérateurs de particules ». En 1968, l’accélérateur du SLAC, à Stanford en Californie, permet de faire entrer en collision des particules accélérées à très haute vitesse (voir la figure 16 ). La puissance de la collision fait dévier certains électrons, ce qui démontre que les protons et les neutrons renferment eux-mêmes des constituants plus petits appelés « quarks ». En 1990, une équipe de trois chercheurs (Friedman, Kendall et Taylor) travaillant sur ce projet obtient le prix Nobel de physique pour avoir démontré l’existence des quarks.

Anneaux de dispersion Canon à électrons

Aimants de courbure

3,2

Détecteur de particules Aimants de focalisation (ou aimants collimateurs)

Figure 16 L’accélérateur de particules du SLAC, en Californie.

34

Chapitre 1 Univers matériel

km

CONCEPT

1.3 La notation de Lewis

ST

STE

SE

La notation de Lewis est une façon de représenter un atome d’un élément en illustrant les électrons de sa couche périphérique à l’aide de points disposés autour de son symbole chimique.

1.3.1

Les électrons de valence

ST

STE

SE

Les électrons de valence sont les électrons situés sur le niveau d’énergie le plus élevé (ou couche périphérique) d’un atome (voir la figure 17).

a) L’atome de néon (Ne)

b) L’atome de fluor (F)

Le néon possède huit électrons de valence.

c) L’atome de magnésium (Mg)

Le fluor possède sept électrons de valence.

c) L’atome de calcium (Ca)

Le magnésium possède deux électrons de valence.

Le calcium possède deux électrons de valence.

Figure 17 Les électrons de valence des atomes de néon, de fluor, de magnésium et de calcium.

1.3.2

Les règles de notation

ST

STE

Nord

SE

Dans la notation créée par Gilbert Lewis (1875-1946), seuls les électrons de valence sont représentés ; le noyau et les électrons des autres couches ne sont pas considérés et sont symbolisés par le symbole chimique de l’atome. Lorsqu’on utilise la notation de Lewis, il suffit d’inscrire le symbole chimique de l’atome et de tracer un point pour chaque électron de valence sur un carré imaginaire autour du symbole. On doit placer les points un à la fois en les distribuant sur les côtés du carré imaginaire (voir la figure 18 a). Leur distribution peut commencer sur l’un ou l’autre des côtés représentant, par convention, les quatre points cardinaux. Quand l’atome possède quatre électrons de valence ou moins, on les répartit un à un sur les côtés en faisant le tour du symbole chimique, en commençant, par exemple, par placer un électron au nord, puis un à l’est, et ainsi de suite (voir la figure 18 b).

Ouest

Symbole chimique

Est

Sud a) La disposition des électrons de valence autour d’un

carré imaginaire.

Na

Ca

Al

Sodium

Calcium

Aluminium

b) La disposition des points autour des symboles

chimiques.

Figure 18 La notation de Lewis pour des éléments possédant de un à trois électrons de valence.

Si l’atome possède plus de quatre électrons de valence, les points sont doublés. On dispose d’abord les points représentant les quatre premiers électrons de valence. Puis on refait un deuxième tour pour disposer les électrons de valence supplémentaires en faisant des paires de points. Ces paires sont appelées « doublets d’électrons ». Les points qui ne sont pas en doublets d’électrons représentent les électrons « célibataires » (voir la figure 19). Doublet d’électrons Électron célibataire

N

O

Cl

Azote

Oxygène

Chlore

Figure 19 La notation de Lewis pour des éléments possédant plus de quatre électrons de valence. Section 1 L’organisation de la matière

35

CONCEPT

1.4 Les familles et les périodes du tableau périodique ST STE

Le tableau périodique regroupe les éléments en familles et en périodes selon qu’ils présentent des propriétés semblables.

1 (IA) 1

1

H

1

Li

2

lithium 6,94

11

3

5

Na

6

1

K 1

Rb 1

Cs

2

Ca

calcium 40,08

38

3

21

Fr

francium (223)

88

Liquide

He

2

Sr

39

3

Sc 3

Y yttrium 88,91

22

40

23

4

Zr 4

Hf

104 89-103

V

41

Nb

5 4

5 3

niobium 92,91

73

5

Ta tantale 180,95

Gaz

Rf

24

Cr

3 2

chrome 52,00

Mo

molybdène 95,96

74

6

W

106

Db

Mn

2 4

43

7

Tc

technétium (98)

75

7

Re

rhénium 186,21

107

Sg

dubnium (268)

25

26

manganèse 54,94 6

42

8

(VIIB)

tungstène 183,84

105

rutherfordium (267)

7

(VIB)

vanadium 50,94

hafnium 178,49

2

Ra

4 3

titane 47,87

72 57-71

radium (226)

Ti

6

(VB)

zirconium 91,22

2

Ba

5

(IVB)

scandium 44,96

baryum 137,33 1

4

(IIIB)

strontium 87,62

56

Éléments synthétiques

Solide

2

12

20

Np

C

Non-métaux

Mg

césium 132,91

87

Be

magnésium 24,31

rubidium 85,47

55

7

1

potassium 39,10

37

Principaux métalloïdes

2

4

béryllium 9,01

sodium 22,99

19

(IIA)

Éléments naturels

S

Métaux

2

hydrogène 1,01

3

4

Phases des éléments à conditions ambiantes

1 1

3 2

44

Ru

3 4

ruthénium 101,07

76

Co

2 3

cobalt 58,93

4

Os

45

3

Rh

rhodium 102,91 4

77

osmium 190,23

Ir iridium 192,22

109

Hs

bohrium (272)

27

fer 55,85

108

Bh

seaborgium (271)

Fe

9

(VIIIB)

Mt

hassium (270)

meitnerium (276)

Lanthanides et actinides*

57

6

La

58

lanthane 138,91

89

7

3

3

Ac

actinium (227)

3

Ce cérium 140,12

90

Th

3

Pr

praséodyme 140,91 4

thorium 232,04

59

91

Pa

5 4

protactinium 231,04

60

3

Nd

Pm

néodyme 144,24

92

U

3

61

6 4

uranium 238,03

Sm

prométhium (145)

93

62

5

Np

neptunium (237)

3 2

samarium 150,36

94

Pu

4 6

plutonium (244)

63

Eu

europium 151,96

95

Chapitre 1 Univers matériel

3 4

Am

américium (243)

* Les lanthanides et les actinides comprennent 30 éléments. Les chimistes ont tendance à n’utiliser couramment que certains de ces éléments, notamment l’uranium (U) et le plutonium (Pu). Par conséquent, il est plus pratique de les placer au bas du tableau périodique.

36

3 2

Numéro atomique

8

Charge ionique (s’il y en a plus d’une, la première est généralement la plus courante)

2

O

Symbole

oxygène 16,00

Nom Masse atomique (u) Masse molaire (g/mol)

18 (VIIIA)

2

13

14

15

16

17

(IIIA)

(IVA)

(VA)

(VIA)

(VIIA)

5

6

B bore 10,81

13

10 28

Ni

11 (IB)

2 3

29

nickel 58,69

46

Pd Pt

Cu

2 1

2 4

47

4 2

79

1

Ag Au

3 1

Rg

Gd

gadolinium 157,25 3

96

Cm curium (247)

65

3

Tb Bk

Cd 2 1

80

Uub

terbium 158,93

97

2

112

darmstadtium roentgenium (281) (280)

3

48

ununbium (285)

66

3

Dy

dysprosium 162,50 3 4

berkélium (247)

98

3

Al 3

Ga gallium 69,72

mercure 200,59

111

Ds

Zn

31

49

cadmium 112,41

or 196,97

110

2

zinc 65,38

argent 107,87

platine 195,08

64

30

14

3

Cf

californium (251)

32

In

50

1 3

113

Uut

ununtrium (284)

3

Ho

holmium 164,93

99

4

Ge Sn

82

3

Es

einsteinium (252)

Pb

O

P

33

4 2

3

As arsenic 74,92

51

Sb

plomb 207,20

83

Bi

F

S

34

3 5

52

3 5

17

2

Se

115

2

Te Po

1

Cl

1

53

I

85

polonium (209)

3

Er erbium 167,26

100

69

3

1

At

Tm

thulium 168,93 3

Fm

fermium (257)

101

Md

Yb

3 2

ytterbium 173,05 2 3

mendélévium (258)

102

No

54

2 3

nobélium (259)

Xe

86

Rn radon (222)

astate (210)

118

Uuo

ununhexium (293)

70

Kr

xénon 131,29

Uuq Uup Uuh

68

36

iode 126,90 2 4

Ar

krypton 83,80

brome 79,90

116

ununquadium ununpentium (289) (288)

18

argon 39,95 1

35

Ne néon 20,18

chlore 35,45

tellure 127,60

84

10

fluor 19,00

sélénium 78,96

bismuth 208,98

114

1

9

soufre 32,07

antimoine 121,76 2 4

2

16

phosphore 30,97

étain 118,71

thallium 204,38

67

Si

2

8

oxygène 16,00 3

15

germanium 72,64 3

Tl

N azote 14,01

silicium 28,09

indium 114,82

81

3

7

carbone 12,01

aluminium 26,98

(IIB)

cuivre 63,55

palladium 106,42

78

12

C

4 2

He hélium 4,00

ununoctium (294)

71

2

Lu

lutécium 174,97

103

3

Lr

lawrencium (262)

Notes : Les éléments présentés dans ce tableau périodique sont les éléments reconnus par le Conseil national de la recherche du Canada (CNRC) en 2008. Le nom des éléments et leurs masses atomiques proviennent de la mise à jour de l’Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA) de 2007.

Section 1 L’organisation de la matière

37

La classification périodique permet de répertorier l’ensemble des éléments connus à ce jour dans un système de classification proposé à l’origine par le chimiste russe Dimitri I. Mendeleïev (1834-1907). Quelque 90 de ces éléments se trouvent à l’état naturel, alors que 27 éléments ont été synthétisés par des chercheurs dans des accélérateurs de particules ou des réacteurs nucléaires. D’autres éléments pourront éventuellement s’ajouter à ce nombre.

Les métaux, les non-métaux et les métalloïdes ST STE

1.4.1

De la même façon que les substances pures possèdent des propriétés caractéristiques qui permettent de les identifier, certains éléments ont des propriétés communes qui les distinguent des autres et qui permettent de les regrouper en trois grandes catégories : les métaux, les non-métaux et les métalloïdes. Pour faciliter le repérage de ces catégories d’éléments dans le tableau périodique, les régions où ils se trouvent sont souvent identifiées par différentes couleurs (voir la figure 20). Le tableau de Mendeleïev C’est en 1869 que le chimiste russe Dimitri l. Mendeleïev propose un tableau de classification périodique présentant les 63 éléments chimiques connus à l’époque (voir la figure 21 ). Dans ce tableau, il classe les éléments selon leurs propriétés physicochimiques. Malgré les quelques erreurs de classification dues à des données inconnues à l’époque, le tableau de Mendeleïev a servi de base à l’élaboration du tableau périodique moderne dans lequel les éléments sont classés par ordre croissant de numéros atomiques.

Cd Cu Cr

Pb Bi

Métaux

Cl As Si

S

Sb

B

Te

Br

C

Métalloïdes

I Non-métaux

Figure 20 Les trois catégories d’éléments du tableau périodique et des exemples.

Les métaux Les métaux constituent la plus grande catégorie d’éléments du tableau périodique (voir la figure 22). On les reconnaît facilement à leur couleur généralement grise, cuivrée, dorée ou argentée de même qu’à leur reflet vif et brillant. La plupart d’entre eux sont solides à conditions ambiantes, à l’exception du mercure (Hg), qui est liquide à de telles conditions. Les métaux ont tendance à s’unir à des non-métaux pour former des composés. Tous les métaux possèdent des propriétés communes : • les métaux sont brillants, malléables et ductiles ;

Figure 21 Le tableau de 63 éléments élaboré par Mendeleïev.

38

Chapitre 1 Univers matériel

• les métaux constituent de bons conducteurs thermiques et de bons conducteurs d’électricité ; • lorsqu’ils forment des composés, les métaux sont généralement des donneurs d’électrons et plusieurs d’entre eux réagissent chimiquement avec les acides.

Figure 22 Les métaux.

Le cuivre (Cu) est l’exemple d’un métal typique (voir la figure 23) : il est brillant ; on l’utilise pour faire des fils électriques parce qu’il est ductile et qu’il conduit bien le courant ; on s’en sert pour faire des casseroles parce qu’il est un bon conducteur thermique ; enfin, sa malléabilité permet d’en faire des tuyaux pour la plomberie.

Les non-métaux Les non-métaux sont peu nombreux et se trouvent à l’extrême droite du tableau périodique (voir la figure 24), à l’exception de l’hydrogène (H), qui se trouve du côté opposé. À conditions ambiantes, 11 de ces éléments sont à l’état gazeux, 5 sont à l’état solide et seul le brome (Br) est à l’état liquide (voir le tableau périodique aux pages 36 et 37). Contrairement aux métaux, les non-métaux se présentent dans une grande variété de couleurs.

Figure 23 Le cuivre (Cu) est un métal.

Les non-métaux ont tendance à s’unir aux métaux pour former des composés. Les éléments de cette catégorie possèdent aussi des propriétés communes : • les non-métaux solides ont un aspect terne, ils sont cassants et non ductiles ; • les non-métaux constituent généralement de bons isolants ; • lorsqu’ils forment des composés, les non-métaux sont des accepteurs d’électrons.

Figure 24 Les non-métaux.

Section 1 L’organisation de la matière

39

Le soufre (S) est un non-métal (voir la figure 25). Comme il est cassant et non ductile, on peut le réduire en poudre, mais on ne peut pas l’étirer pour en faire un fil ou le laminer pour en faire une feuille.

Les principaux métalloïdes Les métalloïdes sont dotés de propriétés intermédiaires entre celles des métaux et des non-métaux (voir la figure 26). Les métalloïdes situés à droite de la ligne tracée « en escalier » partagent principalement les propriétés des non-métaux, alors que ceux situés à gauche partagent plus de propriétés avec les métaux. Figure 25 Le soufre (S) est un non-métal.

Figure 26 Les principaux métalloïdes.

On peut reconnaître les métalloïdes en se basant sur les propriétés suivantes : • les métalloïdes sont généralement cassants et non ductiles ; • les métalloïdes peuvent conduire l’électricité à divers degrés. Toutefois, ils ne sont pas de bons conducteurs thermiques. Le silicium (Si) est un métalloïde (voir la figure 27). Parce qu’il est un semiconducteur, il entre dans la fabrication des panneaux solaires et des puces électroniques (voir la figure 28).

Figure 27 Le silicium (Si) est un métalloïde à l’aspect brillant.

1.4.2

Voir La notation de Lewis, p. 35.

40

Chapitre 1 Univers matériel

Figure 28 Une puce électronique en silicium.

Les familles du tableau périodique

ST

STE

Les familles chimiques sont des groupes d’éléments qui présentent des propriétés chimiques et physiques similaires parce qu’ils possèdent le même nombre d’électrons de valence. Le tableau périodique comprend 18 familles, qui correspondent aux colonnes numérotées de 1 à 18. Un second type de numérotation identifie les colonnes à l’aide de chiffres romains associés aux lettres A et B.

Il y a huit familles de la série A numérotées de I A à VIII A. Elles contiennent la série des éléments représentatifs. Ces familles sont situées dans les deux premières et les six dernières colonnes du tableau périodique. Les éléments des 10 autres familles font partie de la série B, appelés éléments de transition. Ils sont situés dans le centre du tableau périodique entre les familles de la série A (voir la figure 29). Les numéros des familles des éléments représentatifs sont utiles pour connaître d’un coup d’œil le nombre d’électrons de valence des éléments. Par exemple, le dernier chiffre du numéro de la famille 17 indique que les éléments de cette famille ont sept électrons de valence, tandis que ceux de la famille 14 en ont quatre. Les chiffres romains VII et IV indiquent aussi que ces éléments possèdent respectivement sept et quatre électrons de valence. En plus de porter des numéros, les familles peuvent être désignées par le nom de l’élément qui occupe la position la plus élevée dans la colonne. Ainsi, les familles 13 (III A) à 16 (VI A) sont appelées respectivement « famille du bore » (B), « famille du carbone » (C), « famille de l’azote » (N) et « famille de l’oxygène » (O). Les familles 1 (I A), 2 (II A), 17 (VII A) et 18 (VIII A) ont quant à elles reçu des noms particuliers en raison d’une caractéristique qui les distingue. Bien que l’hydrogène (H) soit positionné dans la colonne 1 (I A), il ne fait pas partie de cette famille. En effet, l’hydrogène est un non-métal, mais il présente parfois des comportements similaires à ceux des métaux lors des réactions chimiques. Dans le tableau périodique, l’hydrogène est le seul élément en son genre. L’hydrogène (H) ne fait partie ni des éléments représentatifs ni des éléments de transition. Les éléments représentatifs (série A) Les éléments de transition (série B)

Figure 29 Les éléments représentatifs et les éléments de transition.

La famille 1 (I A) : les alcalins Les métaux alcalins sont les éléments qui occupent la première colonne du tableau périodique (voir la figure 30 à la page suivante). Les alcalins possèdent un seul électron de valence, comme l’indique le numéro de leur famille.

Section 1 L’organisation de la matière

41

Comme tous les alcalins, le lithium (Li) possède un seul électron de valence.

Voir La dissociation électrolytique, p. 80. Le potassium (K)

Le sodium (Na)

Figure 30 La famille des alcalins : le lithium (Li), le sodium (Na), le potassium (K), le rubidium (Rb), le césium (Cs) et le francium (Fr).

Leur nom vient du fait qu’ils réagissent fortement avec l’eau pour ensuite former une base. Les alcalins sont tous des métaux brillants et mous dont les points de fusion sont relativement bas (voir la figure 31). En raison de leur grande réactivité chimique, ces éléments n’existent que sous forme de composés dans la nature. Le lithium (Li)

Figure 31 Des exemples de métaux alcalins.

La famille 2 (II A) : les alcalino-terreux Les métaux alcalino-terreux sont les éléments qui occupent la deuxième colonne du tableau périodique (voir la figure 32). Les alcalino-terreux possèdent deux électrons de valence, comme l’indique le numéro de leur famille.

Le magnésium (Mg)

Les alcalino-terreux entrent dans la composition de plusieurs minéraux. Ils sont brillants et argentés et sont de bons conducteurs d’électricité (voir la figure 33). Ils présentent une plus grande dureté et possèdent des points de fusion nettement plus élevés que les alcalins. Comme ces derniers, les alcalino-terreux réagissent avec l’eau, mais leurs réactions chimiques sont moins violentes. Le calcium (Ca)

Figure 33 Des exemples de métaux

Comme tous les alcalino-terreux, le calcium (Ca) possède deux électrons de valence.

alcalino-terreux.

Figure 32 La famille des alcalino-terreux : le béryllium (Be), le magnésium (Mg), le calcium (Ca), le strontium (Sr), le baryum (Ba) et le radium (Ra).

42

Chapitre 1 Univers matériel

La famille 17 (VII A) : les halogènes Les éléments du groupe 17 (VII A), les halogènes, sont les non-métaux les plus réactifs du tableau périodique (voir la figure 34). Les halogènes possèdent sept électrons de valence, comme l’indique le numéro de leur famille. Comme tous les halogènes, le chlore (Cl) possède sept électrons de valence.

Le chlore (Cl) Le brome (Br)

L’iode (I)

Figure 34 La famille des halogènes : le fluor (F), le chlore (Cl), le brome (Br), l’iode (I) et l’astate (At).

Cette famille est particulière pour ce qui est de l’état dans lequel se trouvent les éléments à conditions ambiantes. En effet, le fluor (F) et le chlore (Cl) sont gazeux à la température de la pièce, le brome (Br) est liquide alors que l’iode (I) et l’astate (At) sont solides (voir la figure 35). À cause de leur forte réactivité, ces éléments ne se trouvent pas dans la nature sous forme d’atomes seuls. Les halogènes forment des composés en se liant avec des métaux, de sorte qu’on les trouve souvent sous la forme de sels. Le terme « halogène » signifie d’ailleurs « générateur de sel ». Les halogènes peuvent également former des acides forts lorsqu’ils se lient à l’hydrogène (H). Les halogènes sont corrosifs. Cette propriété permet de les utiliser à plusieurs fins. Par exemple, on utilise le chlore (Cl) pour la désinfection de l’eau potable et l’iode (I) comme antiseptique .

*

Figure 35 Des exemples d’halogènes.

Voir La dissociation électrolytique, p. 81.

Substance ou produit * Antiseptique qui détruit les micro-organismes.

La famille 18 (VIII A) : les gaz inertes Les gaz inertes, également appelés « gaz rares » ou « gaz nobles », occupent la colonne à l’extrême droite du tableau périodique (voir la figure 37 à la page suivante). Ils se présentent sous la forme gazeuse à conditions ambiantes. La principale propriété de cette famille est la très grande stabilité chimique de ses éléments. En effet, à moins de les soumettre à des conditions exceptionnelles en laboratoire, les gaz inertes ne forment pas de composés chimiques et ont une réactivité presque nulle. On utilise les gaz inertes dans les enseignes lumineuses appelées communément « néons » pour obtenir une variété de couleurs (voir la figure 36). Leur absence de réactivité les rend également très utiles dans d’autres applications. L’hélium (He) est entre autres utilisé dans les ballons dirigeables et dans les ballonssondes, alors qu’on trouve l’argon (Ar) dans les ampoules incandescentes et dans les fenêtres à haut rendement énergétique.

Figure 36 Le néon, un gaz qui émet une couleur rouge-orangée, est utilisé dans les enseignes lumineuses.

Section 1 L’organisation de la matière

43

Comme tous les gaz inertes, le néon (Ne) possède huit électrons de valence, ce qui explique sa très faible réactivité.

Figure 37 La famille des gaz inertes : l’hélium (He), le néon (Ne), l’argon (Ar), le krypton (Kr), le xénon (Xe), le radon (Rn) et l’ununoctium (Uuo).

1.4.3 Voir Le modèle atomique de Rutherford-Bohr, p. 28.

Les périodes du tableau périodique

ST

STE

Le tableau périodique comprend sept rangées, numérotées de 1 à 7, appelées périodes. Le numéro d’une période indique le nombre de couches électroniques contenues dans un élément faisant partie de cette période (voir la figure 38). Par exemple, l’aluminium (Al) fait partie de la période numéro 3. Chaque atome d’aluminium est donc constitué de trois couches électroniques. En parcourant une période de gauche à droite, on passe graduellement des éléments métalliques aux métalloïdes, puis aux non-métaux. La première période ne contient que deux éléments, tandis que la deuxième et la troisième période en comprennent chacune huit. Les quatrième et cinquième périodes comptent chacune 18 éléments, la sixième en comprend 32 et la septième, 29 (voir les séries des lanthanides et actinides dans le tableau périodique aux pages 36 et 37). Dans la septième période, les éléments ayant un numéro atomique supérieur à 92 ont été créés artificiellement dans des accélérateurs de particules. Les espaces vides de cette période correspondent donc à des éléments qui n’ont pas encore été observés ou qui sont en voie de l’être.

Figure 38 Les numéros des périodes à la gauche du tableau, renseignent sur le nombre de couches électroniques des éléments.

44

Chapitre 1 Univers matériel

CONCEPT

1.5 La masse atomique relative et les isotopes STE SE

Dans le tableau périodique, la masse atomique indiquée correspond à la masse atomique moyenne d’un élément et est exprimée en unité de masse atomique (u). Les atomes ont une masse précise appelée « masse atomique » qui correspond à la masse combinée des protons et des neutrons composant leur noyau. Étant donné que la masse de l’électron est environ 1836 fois plus petite que celle du proton ou du neutron, on ne la considère pas dans la mesure de la masse atomique.

1.5.1

La masse atomique relative

STE

étalon Résultat de mesure qui * Valeur sert de référence pour d’autres mesures.

Nombre de masse (A)

SE

En raison de la très petite taille des atomes, il n’est pas pratique d’utiliser le gramme comme unité de mesure de masse. Les chimistes utilisent plutôt __ 1) l’unité de masse atomique (u) qui, par convention, correspond au douzième ( 12 de la masse d’un atome de carbone (C). Le fait que l’atome de carbone serve de valeur étalon pour déduire les masses atomiques des autres éléments explique pourquoi on parle de masse atomique relative. Une unité de masse atomique (1 u) correspond à une masse de 1,66  1024 g, soit environ l’équivalent de la masse d’un proton ou d’un neutron.

Numéro atomique (Z)

*

Oxygène 16 8 protons 8 neutrons

1 1 u  de la masse d’un atome de carbone (C)  1,66  1024 g 12 Ainsi, si l’on souhaite connaître la masse en grammes d’un atome d’oxygène (16 u), on effectue le calcul suivant : 1 u  1,66  1024 g 16 u  16  1,66  1024 g  26,56  1024 g ou 2,66  1023 g

1.5.2

Les isotopes

Oxygène 17 STE

SE

Tous les atomes d’un même élément contiennent le même nombre de protons et possèdent les mêmes propriétés. Toutefois, il est possible que tous ne contiennent pas le même nombre de neutrons. Les isotopes sont les atomes d’un même élément dont le nombre de neutrons est différent. Comme les isotopes d’un même élément ne diffèrent que par leur nombre de neutrons, on utilise principalement leur nombre de masse pour les distinguer les uns des autres. Le nombre de masse (A) est un nombre entier qui correspond à la somme des protons et des neutrons présents dans le noyau d’un atome. Ainsi, on nomme un isotope en mentionnant le nom de l’élément suivi de son nombre de masse. On le représente en inscrivant le nombre de masse et le numéro atomique devant son symbole. Par exemple, l’oxygène (O) possède trois isotopes ayant les nombres de masse 16, 17 et 18. On appelle donc ces isotopes oxygène 16, oxygène 17 et oxygène 18. On les représente par 16 O, 17 O et 18 O, où le chiffre 8 est le numéro atomique (nombre de protons) 8 8 8 (voir la figure 39).

8 protons 9 neutrons

Oxygène 18 8 protons 10 neutrons

Figure 39 L’oxygène (O) a trois isotopes naturels. La seule caractéristique qui les distingue est le nombre de neutrons contenus dans leur noyau.

Section 1 L’organisation de la matière

45

Pour connaître le nombre de neutrons contenus dans le noyau d’un isotope, il suffit de soustraire le numéro atomique, qui correspond au nombre de protons, du nombre de masse. Par exemple, l’oxygène 18 (aussi représenté par 18 8 O) contient : nombre de masse (18)  nombre de protons (8)  nombre de neutrons (10). Chaque isotope d’un élément a une masse atomique relative différente. Par exemple, l’oxygène 16 a une masse atomique relative de 16 u, l’oxygène 17, de 17 u et l’oxygène 18, de 18 u. Les isotopes d’un même élément possèdent tous la même configuration électronique. En effet, le nombre d’électrons contenus sur les couches électroniques périphériques étant identique, cela confère aux isotopes d’un même élément les mêmes propriétés et la même réactivité chimique.

Le spectromètre de masse Le spectromètre de masse est un instrument qui permet de déterminer les masses et les quantités relatives de chaque isotope d’un élément (voir la figure 40 ). À leur entrée dans le spectromètre, les atomes sont d’abord frappés par un faisceau d’électrons se déplaçant à très grande vitesse. Lors de l’impact, chaque atome perd un électron. Les particules, accélérées par un champ électrique, traversent ensuite un champ magnétique qui fait dévier leur trajectoire selon leur masse. Ainsi, plus les particules sont lourdes, moins elles sont déviées. Elles se dirigent ensuite vers un détecteur (par exemple, une plaque photographique) où la distance entre chaque point d’impact dépend de la masse de chacun des isotopes. L’intensité de l’exposition est proportionnelle à la quantité de chacun des isotopes (voir la figure 41). Figure 40 Un spectromètre de masse.

Détecteur 2

1

20Ne

(particules les plus légères de l’échantillon)

Si c’est nécessaire, un filament incandescent vaporise l’échantillon.

L’échantillon de néon entre dans un compartiment.

3

22Ne

(particules les plus lourdes de l’échantillon)

Un faisceau d’électrons enlève des électrons aux atomes de néon.

Source d’électrons 4

Le champ électrique accélère les particules vers l’aimant.

Figure 41 La spectroscopie de masse du néon.

46

Chapitre 1 Univers matériel

21Ne

5

Aimant

Le champ magnétique sépare les particules en fonction de leur rapport masse/charge électrique.

1.5.3

La masse atomique moyenne

STE

SE

Dans la nature, les atomes d’un élément existent sous forme d’isotopes qui n’ont pas la même masse atomique relative, car chaque isotope d’un élément contient un nombre de neutrons différent. De plus, les différents isotopes d’un élément existent en proportions inégales (voir le tableau 2). Par exemple, les trois isotopes du carbone (C), soit le carbone 12, le carbone 13 et le carbone 14, existent à l’état naturel dans des proportions respectives de 98,9 %, 1,1 % et 1  1010 %. Dans le tableau périodique, la masse atomique indiquée pour chacun des éléments est la masse atomique moyenne qui tient compte de la masse relative de chaque isotope d’un élément et de son abondance dans la nature (voir le tableau 2). Par exemple, on réalise le calcul de la masse atomique moyenne du carbone de la façon suivante : Masse atomique  (12 u  98,9 %)  (13 u  1,1 %)  (14 u  1  1010 %)  12,01 u moyenne du carbone Tableau 2 La distribution de quelques isotopes Abondance dans la nature (%)

Masse atomique relative

Masse atomique moyenne

98,9 1,1 1  1010

12 u 13 u 14 u

12,01 u

Azote 14 Azote 15

99,64 0,36

14 u 15 u

14,01 u

Oxygène 16 Oxygène 17 Oxygène 18

99,76 0,04 0,20

16 u 17 u 18 u

16,00 u

Nom de l’isotope Carbone 12 Carbone 13 Carbone 14

6

C

carbone 12,01

Cela explique pourquoi, par exemple, la valeur 12,01 u apparaît dans le tableau périodique pour le carbone (C) (voir la figure 42). On utilise la masse atomique moyenne pour effectuer les calculs en chimie.

Masse atomique (u)

Figure 42 La masse atomique figure sous le nom de chaque élément dans le tableau périodique.

Le deutérium et l’eau lourde Dans la nature, le noyau atomique de l’isotope le plus abondant de l’hydrogène (H) ne possède qu’un proton, alors que le plus rare possède un proton et un neutron. Ce dernier isotope est appelé « hydrogène lourd » ou « deutérium » (D). Les deux isotopes de l’hydrogène partagent la même capacité de se lier à l’oxygène (O) pour former de l’eau. Lorsque l’eau est formée à partir du deutérium, on l’appelle « eau lourde ». Cette eau est surtout utilisée dans les réacteurs nucléaires à eau lourde pour ralentir les neutrons et contrôler la réaction nucléaire (voir la figure 43 ).

Turbine à vapeur

Génératrice

Vapeur Chaudière

Pompe Eau lourde Réacteur

Eau (H2O)

Figure 43 Dans un réacteur de type CANDU, l’eau lourde sert à transférer la chaleur du réacteur vers l’eau de la chaudière.

Section 1 L’organisation de la matière

47

CONCEPT

1.6 La périodicité des propriétés

STE

La périodicité des propriétés des éléments dans le tableau périodique correspond à la façon dont les propriétés physiques et chimiques des éléments se répètent de façon régulière d’une période à l’autre. Au milieu du 19e siècle, les chimistes avaient étudié les éléments connus à l’époque de façon assez approfondie pour déceler des similitudes dans les propriétés chimiques et physiques de certains groupes d’éléments. En les classant par masse atomique, Mendeleïev (1834-1907) a réussi à faire ressortir le caractère répétitif (périodique) de certaines de ces propriétés, ce qui lui a permis de prédire l’existence d’éléments inconnus à l’époque. Le tableau périodique moderne est une adaptation de celui proposé par Mendeleïev.

1.6.1

La périodicité de la masse atomique

STE

La périodicité de la masse atomique s’exprime par deux tendances dans le tableau périodique (voir la figure 44) : • Dans une période, la masse atomique a tendance à augmenter de gauche à droite du tableau. Cette tendance s’explique par le fait que le nombre de nucléons (protons et neutrons) augmente avec le numéro atomique et que ce sont ces particules qui déterminent la masse atomique. • Dans une famille, la masse atomique a tendance à augmenter de haut en bas du tableau. C’est, encore là, le nombre croissant de nucléons qui explique cette tendance.

Augmentation de la masse atomique

Augmentation de la masse atomique

Figure 44 La périodicité de la masse atomique. r

1.6.2

Figure 45 Le rayon atomique du sodium (Na).

48

Chapitre 1 Univers matériel

La périodicité du rayon atomique

STE

Le rayon atomique correspond à la distance qui sépare le noyau de la dernière couche électronique d’un élément (voir la figure 45). Il donne une indication de la taille d’un atome. La périodicité du rayon atomique s’exprime par deux tendances dans le tableau périodique (voir la figure 46).

• Dans une période, la taille des atomes a tendance à augmenter de droite à gauche du tableau. Cela s’explique par le fait que lorsqu’on se déplace vers la droite du tableau, le numéro atomique augmente, ce qui indique que le noyau de l’atome renferme plus de protons et, par le fait même, une plus grande charge positive. Le noyau fortement chargé attire avec plus de force les électrons qui tendent ainsi à être plus près du noyau. Par exemple, les électrons d’un atome de chlore (Cl) sont disposés plus près du noyau que ceux d’un atome de sodium (Na). • Dans une famille, la taille des atomes a tendance à s’accroître de haut en bas du tableau, car le nombre de couches électroniques augmente.

Augmentation du rayon atomique

Augmentation du rayon atomique

Figure 46 La périodicité du rayon atomique.

1.6.3

La périodicité de l’électronégativité

STE

L’électronégativité est la capacité d’un élément à attirer des électrons des autres éléments lors de la formation de composés. Cette valeur permet entre autres de déterminer la nature des liaisons chimiques qui se produisent.

Voir La nature de la liaison, p. 96.

La périodicité de l’électronégativité s’exprime par deux tendances générales dans le tableau périodique (voir figure 47).

Accroissement de l’électronégativité

Accroissement de l’électronégativité

Figure 47 La périodicité de l’électronégativité.

Section 1 L’organisation de la matière

49

• Dans une période, l’électronégativité des atomes a tendance à s’accroître de gauche à droite du tableau. Cette variation croissante s’explique par le fait que les non-métaux cherchent à gagner des électrons et les attirent donc avec une force supérieure. Par exemple, le fluor (F), un non-métal, attire fortement les électrons du lithium (Li), un métal. La famille des gaz inertes n’a aucune électronégativité, car aucun de ses éléments n’accepte d’électrons. • Dans une famille, l’électronégativité des atomes a tendance à s’accroître de bas en haut du tableau, car les électrons de valence d’autres atomes sont de plus en plus fortement attirés par le noyau lorsqu’ils en sont plus près.

1.6.4

La périodicité de l’énergie d’ionisation

STE

L’énergie d’ionisation correspond à l’énergie nécessaire pour arracher un électron à un atome. Comme les métaux cèdent facilement des électrons, il n’est pas nécessaire de fournir beaucoup d’énergie pour arracher leurs électrons de valence, et leur énergie d’ionisation est faible. À l’inverse, comme les non-métaux cherchent à gagner des électrons et non à en perdre, il faut fournir beaucoup d’énergie pour leur en arracher. Malgré quelques exceptions, il y a deux tendances générales en ce qui a trait à l’énergie d’ionisation des atomes (voir la figure 48). • Dans une période, l’énergie d’ionisation a tendance à s’accroître de gauche à droite du tableau. Par exemple, l’attraction exercée par le noyau du chlore (Cl) sur ses propres électrons de valence est supérieure à celle exercée par le noyau du sodium (Na), qui contient moins de protons. Par conséquent, une plus grande énergie est nécessaire pour arracher les électrons du chlore. • Dans une famille, l’énergie d’ionisation a tendance à s’accroître de bas en haut du tableau. Par exemple, les électrons de valence du bismuth (Bi) sont éloignés du noyau puisqu’ils sont sur la sixième couche électronique. Ils sont donc plus faciles à arracher que ceux de l’azote, qui sont plus près de leur noyau étant donné qu’ils se trouvent sur la deuxième couche électronique.

Accroissement de l’énergie d’ionisation

Accroissement de l’énergie d’ionisation

Figure 48 La périodicité de l’énergie d’ionisation.

50

Chapitre 1 Univers matériel

CONCEPT

1.7 La notion de mole et le nombre d’Avogadro STE SE

La mole est une quantité précise de particules qui correspond au nombre d’Avogadro, dont la valeur est de 6,02  1023. Dans la vie de tous les jours, beaucoup d’objets sont groupés pour en faciliter le dénombrement. Par exemple, les œufs sont regroupés en douzaine ou en demidouzaine, les feuilles de papier en rame de 500 feuilles, etc. Comme il serait fastidieux, voire impossible, de compter individuellement des particules infiniment petites, tels les atomes, les chimistes ont choisi de les compter par groupement. Ce groupement, appelé une mole (mol), équivaut à une quantité de 6,02  1023 unités. Ce nombre colossal s’appelle le nombre d’Avogadro (NA) ou « constante d’Avogadro ». Il correspond au nombre d’atomes présents dans exactement 12 g de carbone 12.

1.7.1

Le dénombrement des particules

STE

SE

Une mole peut servir à dénombrer la quantité de n’importe quel type de particules : atomes, ions, molécules, électrons, etc. La quantité de particules contenues dans une mole ne varie jamais, peu importe la nature de la particule et l’état dans lequel elle se trouve. Ainsi, une mole de cuivre solide contient 6,02  10 23 atomes Cu(s) , une mole d’eau liquide 6,02  10 23 molécules H 2O(l) et une mole d’hélium gazeux 6,02  10 23 atomes He(g). L’utilisation de la mole comme unité de mesure permet d’uniformiser la façon de mesurer les quantités de matière (voir la figure 49).

Hélium (He) 4,0 g

Fer (Fe) 55,8 g

Eau (H2O) 18,0 g

Éthanol (C2H5OH) 46,1 g

Carbone (C) 12,0 g

Sel (NaCl) 58,5 g

Mercure (Hg) 200,6 g

Figure 49 Des échantillons d’une mole de différentes substances.

Soufre (S) 32,0 g

Glucose (C6H12O6) 180,2 g

REPÈRE

AMADEO AVOGADRO Physicien italien (1776-1856) Fils de magistrat, Avogadro suit d’abord les traces de son père. Cependant, après cinq années passées à exercer le droit, il abandonne cette profession pour entreprendre des études en physique. Et sa carrière de physicien fut prolifique. En effet, Avogadro a, entre autres, énoncé la loi qui stipule que des volumes égaux de gaz différents, dans les mêmes conditions de température et de pression, contiennent le même nombre de particules. Avogadro a aussi établi pour la première fois une différence entre les atomes et les molécules. Pour honorer les découvertes d’Avogadro, les scientifiques ont donné son nom au nombre qui représente le nombre d’unités présentes dans une mole.

Section 1 L’organisation de la matière

51

À l’aide du nombre d’Avogadro, on peut convertir le nombre de moles en nombre de particules individuelles. On emploie l’équation suivante pour effectuer cette conversion :

n

N NA

où :

n  Nombre de moles d’un échantillon donné N  Nombre de particules de l’échantillon NA  Nombre d’Avogadro

• À l’aide de cette formule, il est possible de convertir le nombre de moles (n) contenues dans un échantillon d’une substance en nombre de particules (N) que contient cet échantillon. Par exemple, pour trouver le nombre de molécules contenues dans 3,0 mol d’eau, on procédera comme suit :

Données : n  3,0 mol NA  6,02  1023 molécules/mol N ?

Calcul : N n NA donc N  n  NA (3,0 mol)  (6,02  1023 molécules) 1 mol 24 N  1,806  10 molécules d’H2O

N

Ce qui signifie que 3,0 mol d’eau contiennent 1,806  1024 molécules d’H2O. • Il est aussi possible de trouver le nombre de moles contenues dans un échantillon (n). Par exemple, pour trouver le nombre de moles dans un échantillon contenant 1,506  10 24 molécules (N) de chlorure de sodium (NaCl), on procédera comme suit :

Données :

Calcul :

N  1,506 

1024

molécules

NA  6,02  1023 molécules/mol n ?

1,506  1024 molécules 6,02  1023 molécules/mol n  2,5 mol de NaCl

n

Ce qui signifie que 1,506  1024 molécules de NaCl correspondent à 2,5 mol. • Par ailleurs, il est aussi possible de compter des fractions de mole. Ainsi, dans 0,23 mol de fer, il y a 1,38  1023 atomes de fer puisque :

N  0,23 mol  6,02  1023 atomes/mol  1,38  1023 atomes

La valeur gigantesque de la mole Si l’on recouvrait la superficie du Canada d’une mole de balles de golf (rayon  2 cm), le territoire canadien supporterait une couche de balles d’une épaisseur de 2200 km.

Figure 50 Une mole de balles de golf.

52

Chapitre 1 Univers matériel

1.7.2

La masse molaire

STE

SE

Même avec des balances très précises, il est impossible de mesurer la masse de chaque atome ou molécule. Mais il est possible de peser un très grand nombre de particules, soit une mole. La masse molaire (M) est la masse correspondant à une mole d’une substance donnée (élément ou composé). Elle s’exprime en grammes par mole (g/mol). La masse molaire de chaque élément est numériquement équivalente à la masse atomique exprimée en u dans le tableau périodique. Par exemple, la masse atomique du carbone (C) est de 12,01 u, tandis que sa masse molaire est de 12,01 g/mol. La masse atomique de l’oxygène (O) est de 16 u, tandis que sa masse molaire est de 16 g/mol (voir le tableau 3). Tableau 3 La masse atomique moyenne et la masse molaire de quatre éléments Élément

Masse atomique moyenne (u)

Masse molaire (g/mol)

Carbone (C)

12,01

12,01

Oxygène (O)

16,00

16,00

Sodium (Na)

22,99

22,99

Argon (Ar)

39,95

39,95

L’information sur la masse molaire contenue dans le tableau périodique (voir les pages 36 et 37) permet d’effectuer une variété de calculs utiles. En effet, pour calculer la masse d’une fraction ou d’un multiple de mole d’un élément ou d’un composé qu’il faut peser à l’aide d’une balance, il suffit de multiplier la masse molaire de l’élément par cette fraction ou ce multiple. Ce calcul s’exprime de la façon suivante :

mnM



m  Masse de l’échantillon, exprimée en grammes (g) n  Nombre de moles M  Masse molaire de l’élément ou du composé, exprimée en grammes par mole (g/mol)

Les exemples suivants montrent comment on peut utiliser cette équation. Exemple A Calculer la masse équivalant à 0,25 mol d’aluminium (Al).

Données : MAl  26,98 g/mol n  0,25 mol m?

Calcul : m  0,25 mol  26,98 g/mol m  6,745 g

Exemple B Calculer la masse équivalant à 5 mol de soufre (S).

Données : MS  32,07 g/mol n  5 mol m?

Calcul : m  5 mol  32,07 g/mol m  160,35 g

Section 1 L’organisation de la matière

53

La masse molaire permet également de calculer la masse d’une mole d’un composé. Par exemple, une mole de monoxyde de carbone (CO) contient une mole de carbone (C) et une mole d’oxygène (O). Pour connaître la masse molaire du CO, il faut donc additionner la masse molaire de chacun des éléments de ce composé, comme dans l’exemple suivant. Exemple C Calculer la masse molaire du monoxyde de carbone (CO).

Données : MC  12,01 g/mol MO  16,00 g/mol MCO  ?

Calcul : MCO  MC  MO MCO  12,01 g/mol  16,00 g/mol MCO  28,01 g/mol

Lorsque la formule chimique d’un composé comporte des indices, il faut simplement multiplier la masse molaire de l’élément par l’indice qui lui est associé. Pour connaître la masse de 8 mol de méthane (CH4), on effectue le calcul présenté dans l’exemple suivant. Exemple D Calculer la masse équivalant à 8 mol de méthane (CH4).

a) Calcul de la masse molaire du méthane (CH4) Données : MC  12,01 g/mol MH  1 g/mol MCH4  ?

Calcul : MCH4  MC  4 MH MCH4  12,01 g/mol  4  1 g/mol MCH4  16,01 g/mol

b) Calcul de la masse de 8 mol de méthane (CH4) Données : MCH4  16,01 g/mol n  8 mol m?

Calcul : m  8 mol  16,01 g/mol m  128,08 g

Enfin, la masse molaire permet de calculer le nombre de moles correspondant à une masse donnée d’une substance. Exemple E Calculer le nombre de moles équivalant à 80,175 g de soufre (S).

Données : m  80,175 g MS  32,07 g/mol n?

Calcul : mnM m donc : n  M 80,175 g n 32,07 g/mol n  2,5 mol

54

Chapitre 1 Univers matériel

Pour faire le point Le modèle atomique de Rutherford-Bohr ST

STE

(pages 28 à 32)

1. Résumez l’expérience qui a permis à Rutherford de découvrir le noyau atomique. 2. Lors de son expérience, quel résultat particulier amène Rutherford à conclure que l’atome est en grande partie constitué de vide ? 3. a) Quelle particule élémentaire Rutherford découvre-t-il ? b) Où cette particule se trouve-t-elle dans l’atome ? c) Quelle est sa charge ? 4. En quoi le modèle atomique de Rutherford est-il incomplet ? 5. Quelle est la contribution de Bohr au modèle atomique de Rutherford ? 6. a) Que sont les couches électroniques d’un atome ? b) Qu’est-ce que la configuration électronique d’un atome ?

Le modèle atomique simplifié et le neutron STE

SE

(pages 33 et 34)

SECTION

1

L’organisation de la matière

10. Représentez les atomes suivants selon la notation de Lewis. a) Hydrogène b) Sodium c) Hélium d) Bore e) Oxygène

Les familles et les périodes du tableau périodique ST STE (pages 36 à 44) 11. a) Nommez les trois grandes catégories d’éléments du tableau périodique. b) Donnez une caractéristique pour chacune des catégories d’éléments. 12. À l’aide du tableau périodique, trouvez chacun des éléments correspondant aux descriptions suivantes. a) Métal de la famille des alcalino-terreux qui se trouve dans la troisième période. b) Métalloïde de la famille 15 (VA) de la cinquième période. c) Non-métal de la famille de l’oxygène situé dans la quatrième période. d) Métal liquide à conditions ambiantes. e) Éléments gazeux de la deuxième période.

7. a) Quelle découverte faite par Chadwick est à l’origine d’une modification du modèle atomique de Rutherford-Bohr ? b) Réalisez un dessin qui représente le modèle atomique simplifié, en identifiant toutes ses parties.

13. Quelle est la relation entre le numéro de la famille et la configuration électronique des éléments qui en font partie ?

8. Représentez de façon schématisée la configuration électronique des éléments suivants : a) Fluor (F) b) Hydrogène (H) c) Chlore (Cl) d) Hélium (He) e) Potassium (K) f) Magnésium (Mg)

La masse atomique relative et les isotopes

La notation de Lewis

ST

STE

SE

9. Que sont les électrons de valence ?

(page 35)

14. Quelle indication le numéro de la période fournit-il ?

STE

SE

(pages 45 à 47)

15. a) Qu’est-ce que la masse atomique relative ? b) Quel symbole utilise-t-on pour représenter la masse atomique ? 16. a) Qu’est-ce qu’un isotope ? b) Combien de neutrons un atome de fluor 19 contient-il ? 17. Expliquez pourquoi la masse atomique inscrite dans le tableau périodique est souvent un nombre décimal.

Section 1 L’organisation de la matière

55

La périodicité des propriétés

STE

(pages 48 à 50)

18. À l’aide du tableau périodique, répondez aux questions suivantes. a) Pourquoi le soufre (S) possède-t-il une masse atomique plus grande que le sodium (Na) ? b) Pourquoi la taille d’un atome de baryum (Ba) est-elle supérieure à celle d’un atome de magnésium (Mg) ? c) Pourquoi, dans une période, l’électronégativité des éléments a tendance à s’accroître de la gauche vers la droite du tableau ? 19. Classez les éléments de chacun des ensembles suivants par ordre décroissant d’énergie d’ionisation. a) Mg, Sn, Cl b) Al, B, In c) Ne, Ar, Xe

La notion de mole et le nombre d’Avogadro STE

SE

(pages 51 à 55)

20. a) Qu’est-ce qu’une mole ? b) À quelle quantité correspond le nombre d’Avogadro ? 21. Combien y a-t-il d’atomes ou de molécules dans chacune des quantités suivantes ? a) 3 moles d’atomes de Fe(s) b) 0,5 mole de molécules d’eau c) 100 moles de N2 (g) d) 2,7 moles de NaCl (s) 22. Combien de moles correspond à chacun des nombres d’atomes ou de molécules suivants ? a) 7,525  1024 atomes de Cu b) 2,408  1026 molécules de O2 c) 4,816  1024 molécules de CH4 d) 3,311  1024 molécules de He 23. Combien y a-t-il de moles dans chacune des quantités suivantes ? a) 48 g de K b) 27 g de N2 c) 345 g de CO2 d) 0,27 g de NaNO3 e) 150 g de Ca(OH)2

56

Chapitre 1 Univers matériel

24. Quelle est la masse de chacun des échantillons suivants ? a) 1 mol de plomb (Pb) b) 1 mol d’ozone (O3) c) 15 mol d’eau (H2O) d) 18 mol de MgCl2 (s) e) 0,000 23 mol de Al2S3 25. Combien y a-t-il de moles dans chacun des échantillons suivants ? a) 500 g de sel de table (NaCl) b) 250 g de sel de voirie (CaCl2) c) 500 g de soude (NaOH) d) 200 g d’or (Au) e) 500 g de glucose (C6H12O6)

SECTION

1

L’organisation de la matière

Le modèle atomique de Rutherford-Bohr

ST

STE

Représentation de l’atome par un noyau très petit et très dense, qui contient les protons positifs, autour duquel tournent des électrons sur des couches appelées « niveaux d’énergie ». Selon ce modèle, l’atome est en majeure partie constitué de vide. • La contribution de Rutherford : il fait la découverte du noyau dense et massif qui contient des protons en nombre égal au numéro atomique de l’élément dans le tableau périodique. Il formule aussi l’hypothèse selon laquelle les électrons circulent dans une région à proximité du noyau. • La contribution de Bohr : il définit des niveaux d’énergie (couches électroniques) précis sur lesquels les électrons gravitent autour du noyau. • La configuration électronique est la répartition des électrons selon un maximum de deux, de huit et de 18 électrons pour les trois premiers niveaux. Un niveau inférieur doit être rempli avant que le suivant commence à se remplir, et la couche périphérique ne contient jamais plus de huit électrons.

Le modèle atomique simplifié et le neutron

STE

SE

Modèle atomique reprenant les mêmes caractéristiques que celui de Rutherford-Bohr, en y intégrant toutefois une particule élémentaire supplémentaire dans le noyau : le neutron. • Le neutron est une particule neutre qui se lie au proton et assure la cohésion du noyau atomique. • Les nucléons (neutrons et protons) constituent l’essentiel de la masse de l’atome.

La notation de Lewis

ST

STE

SE

Façon de représenter schématiquement les électrons de valence d’un atome. • Les électrons de valence sont les électrons présents sur la couche périphérique d’un atome.

Cl

• Les règles de notation sont simples : on représente les électrons de valence par des points placés autour du symbole de l’atome.

Section 1 L’organisation de la matière

57

Les familles et les périodes du tableau périodique

ST

STE

Le tableau périodique est un outil de classification qui regroupe les éléments en familles et en périodes selon qu’ils présentent des propriétés semblables. Il permet de repérer : – les trois grandes catégories d’éléments : les métaux, les non-métaux et les métalloïdes ; – les familles chimiques, qui sont des groupes d’éléments placés en colonnes et qui présentent des propriétés physiques et chimiques semblables. Certaines familles portent des noms spécifiques : alcalins, alcalino-terreux, halogènes, gaz inertes ; – les périodes, qui sont des rangées d’éléments ordonnés par ordre de numéro atomique. Le numéro d’une période désigne le nombre de couches électroniques d’un élément.

La masse atomique relative et les isotopes

STE

SE

• La masse atomique relative est une masse dont la valeur est établie en comparaison avec l’atome de carbone 12, qui sert de valeur étalon. • La masse atomique est exprimée en unité de masse atomique (u). • Les isotopes sont des atomes d’un même élément dont les noyaux ne contiennent pas le même nombre de neutrons. Les isotopes d’un même élément sont présents dans des proportions différentes dans la nature. • La masse atomique moyenne correspond à une moyenne pondérée de la masse atomique relative de chacun des isotopes de l’élément. La masse atomique moyenne apparaît généralement dans chaque case du tableau périodique sous le nom de l’élément.

La périodicité des propriétés

STE

Dans le tableau périodique, le classement des éléments permet de faire ressortir la périodicité de certaines propriétés à l’intérieur des périodes ou des familles. • Les propriétés pour lesquelles on remarque une certaine périodicité sont la masse atomique, le rayon atomique, l’électronégativité et l’énergie d’ionisation.

La notion de mole et le nombre d’Avogadro

STE

SE

Unité de dénombrement des particules utilisée en chimie. • La valeur de la mole est de 6,02  10 23 particules et correspond au nombre d’Avogadro (NA). • La mole est utilisée pour dénombrer les atomes, les molécules et les particules élémentaires. • La masse molaire est la masse d’une mole d’atomes d’un élément. – Elle s’exprime en grammes par mole (g/mol) et est symbolisée par M. – Elle correspond à la même valeur que celle de la masse atomique dans le tableau périodique.

58

Chapitre 1 Univers matériel

SECTION

L

es solutions sont omniprésentes dans notre environnement et possèdent diverses propriétés, qui varient selon la nature de leurs constituants. Les solutions sont des mélanges homogènes contenant une ou plusieurs substances dissoutes (les solutés) dans une autre substance (le solvant). Une solution peut être acide ou basique, ou plus ou moins concentrée par rapport à une autre. Certaines solutions ont une bonne conductibilité électrique tandis que d’autres ne sont pas conductrices. Par ailleurs, l’eau est un des solvants les plus répandus et les plus importants sur la Terre. L’eau est un solvant qui peut dissoudre un très grand nombre de substances (sels, gaz, etc.) ; c’est pourquoi on lui donne le qualificatif de solvant universel. Les solutions aqueuses (dont le solvant est l’eau) revêtent donc une importance toute particulière lors de l’étude des propriétés des solutions. Cette section traite de plusieurs propriétés des solutions, dont la solubilité, la concentration et la conductibilité. Elle décrit des méthodes de calcul permettant de déterminer avec précision les propriétés de diverses solutions.

Les propriétés 2 des solutions

2.1 2.2 2.3 2.4

Les ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 ST

SE

La dissolution et la solubilité . . . . . . 62 SE

La concentration et la dilution . . . . 68 ST

STE

SE

La conductibilité électrique et les électrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 ST

2.5 2.6

STE

STE

SE

La dissociation électrolytique . . . . . 76 ST

STE

L’échelle pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 ST

STE

SE

59

CONCEPT

2.1 Les ions

ST

STE

SE

Les ions sont des atomes qui portent une charge électrique positive ou négative.

Voir La nature de la liaison, p. 96.

Dans l’environnement, seulement quelques éléments se retrouvent à l’état naturel sous forme d’atomes individuels. C’est le cas, par exemple, des atomes des gaz inertes comme l’hélium (He) et le néon (Ne). Dans la nature, les atomes ont tendance à se lier à d’autres atomes. En formant certains composés, ces atomes deviennent des ions.

2.1.1

Voir Le modèle atomique de Rutherford-Bohr, p. 31. Voir La notation de Lewis, p. 35.

Les caractéristiques des ions

ST

STE

SE

Les atomes contiennent autant de protons (charges positives) que d’électrons (charges négatives). On dit que les atomes sont « électriquement neutres » puisqu’ils portent au total autant de charges positives que de charges négatives. Il arrive cependant que certains atomes gagnent ou perdent des électrons, par exemple lorsqu’ils se lient à un ou plusieurs autres atomes. Chaque atome devient alors un ion, c’est-à-dire un atome qui est électriquement chargé, puisqu’il a soit gagné, soit perdu un ou plusieurs électrons. L’ionisation est le nom du processus au cours duquel un atome devient un ion. Lors de l’ionisation d’un atome, seuls les électrons sont impliqués dans le transfert de charge. Le noyau de l’atome reste toujours intact. Un ion positif est appelé cation, alors qu’un ion négatif est appelé anion (voir la figure 51).

a) Atome neutre de sodium (Na).

d) Atome neutre de chlore (Cl).

Perte Gain

b) Perte d’un électron.

e) Gain d’un électron.

c) Ion de sodium (Na+) ou cation.

f) Ion de chlore (Cl–) ou anion.

Figure 51 Lors de la formation de l’ion sodium (Na+), l’atome de sodium (Na) perd un électron et devient un ion positif. L’électron cédé par le sodium est capté par l’atome de chlore (Cl), qui devient un ion négatif (Cl–). Les deux ions forment un composé ionique, le chlorure de sodium (NaCI).

60

Chapitre 1 Univers matériel

On peut prévoir la tendance d’un atome à devenir un ion positif ou négatif en observant sa configuration électronique. La couche périphérique d’un atome, qui renferme les électrons de valence, comporte un maximum de huit électrons et peut être représentée par la notation de Lewis. Par exemple, la plupart des gaz inertes comme le néon (Ne) possèdent huit électrons de valence, ce qui leur confère une grande stabilité chimique. Ces gaz ne forment pas d’ions. Les autres éléments possèdent de un à sept électrons de valence sur leur couche périphérique et ils ont tendance à acquérir la stabilité des gaz inertes, c’est-à-dire à compléter leur couche périphérique en gagnant des électrons provenant d’autres éléments, ou encore à perdre des électrons. C’est ce qu’on appelle la règle de l’octet.

Par exemple, les atomes de sodium (Na), qui font partie de la famille IA (les alcalins), ont tendance à perdre un électron et à former des ions Na+ (voir la figure 52). Dans ce cas, leur configuration électronique devient semblable à celle du néon (Ne) (voir la figure 51 c). De leur côté, les atomes de chlore (Cl), qui font partie de la famille VIIA (les halogènes), ont tendance à accepter un électron et ainsi à former des ions Cl–. Ils acquièrent une configuration électronique semblable à celle de l’argon (Ar) (voir la figure 51 f ). Ces pertes et ces gains d’électrons mènent donc à une configuration électronique qui respecte la règle de l’octet et qui est alors semblable à celle du gaz inerte le plus près d’eux dans le tableau périodique.

1

Métaux

Voir Les familles et les périodes du tableau périodique, p. 40.

18

Métalloïdes

(IA)

(VIIIA) Non-métaux

H

2

(IIA)

13

14

15

16

17

(IIIA)

(IVA)

(VA)

(VIA)

(VIIA)

Li 

Be 2

B3

C4 C4 –

N3–

O2–

F–

Na 

Mg 2

Al 3

Si4 Si4 –

P3–

S2–

CI–

Figure 52 La notation de Lewis de quelques éléments représentatifs permet de voir que les éléments appartenant à une même famille auront tendance à former des ions de même charge qui reproduisent la configuration électronique du gaz inerte le plus près d’eux. Les gaz inertes (famille VIIIA) ne forment pas d’ions en raison de leur stabilité chimique.

Dans le tableau périodique, les métaux sont généralement des donneurs d’électrons et les non-métaux, des accepteurs d’électrons. De façon plus spécifique, c’est le numéro en chiffres romains de chaque famille chimique qui permet de connaître d’un coup d’œil la tendance d’un atome à perdre ou à gagner des électrons. Par exemple, les atomes qui ont trois électrons de valence ou moins, comme ceux des familles IA à IIIA, auront tendance à perdre leurs électrons de valence. Les atomes qui ont cinq électrons de valence ou plus, comme ceux des familles VA à VIIA, auront tendance à accepter des électrons pour remplir leur couche périphérique. L’hydrogène (H) n’appartient à aucune famille chimique ; il perd ou accepte un électron selon le ou les atomes avec lesquels il est lié.

Tableau 4 Les ions polyatomiques courants

Formule

Nom de l’ion

Cations polyatomiques H3O

Hydronium

NH4

Ammonium

Anions polyatomiques

2.1.2

Les ions polyatomiques

STE

SE

Les ions polyatomiques sont des groupes d’atomes fortement liés entre eux et qui portent une charge électrique causée par un surplus ou un déficit d’électrons. Ce sont des ions au même titre que les ions formés d’un seul atome. Ces groupes d’atomes s’ionisent et se comportent de la même façon que les autres ions. Ils sont considérés comme un tout ; c’est pourquoi on leur a attribué des noms spécifiques (voir le tableau 4). Il existe beaucoup plus d’anions polyatomiques que de cations polyatomiques.

OH

Hydroxyde

NO3

Nitrate

HCO3

Hydrogénocarbonate



SO42

Sulfate

3

Phosphate

CO32

Carbonate

PO4

Section 2 Les propriétés des solutions

61

CONCEPT

2.2 La dissolution et la solubilité

SE

La dissolution est l’action de mélanger un ou plusieurs solutés avec un solvant afin d’obtenir une solution. La solubilité est la propriété qui désigne la quantité maximale de soluté qui peut être dissoute dans un certain volume de solvant, à une certaine température. Les substances se présentent fréquemment sous forme de mélanges. Il peut s’agir de mélanges hétérogènes, tels que de la vinaigrette, ou encore de mélanges homogènes, aussi appelés « solutions », comme de l’eau du robinet ou de l’eau salée. Pour obtenir des solutions, il faut procéder à la dissolution d’un ou de plusieurs solutés dans un solvant. La quantité de soluté dissous varie selon divers facteurs dont, entre autres, la solubilité.

OUTIL

2.2.1

9.1

La dissolution

La dissolution

SE

La dissolution est une transformation physique qui ne change pas la nature des constituants de la solution formée. Elle n’implique pas non plus de réaction chimique entre solvant et soluté ; le soluté se retrouve simplement dispersé de façon uniforme parmi les molécules de solvant. La solution ainsi formée est un mélange homogène dans lequel il est impossible de distinguer le solvant du soluté. Par contre, il est possible de séparer le soluté et le solvant d’une solution liquide à l’aide de techniques comme la distillation , par exemple.

*

Procédé qui consiste à * Distillation séparer le solvant des solutés à partir de leurs points d’ébullition.

Il existe différents types de solutions que l’on peut classer selon la nature des solutés et du solvant. Ainsi, les solutions peuvent être gazeuses, liquides ou solides (voir le tableau 5). Les solutions les plus fréquentes sont les solutions aqueuses. Une solution aqueuse est une solution liquide dont le solvant est l’eau.

Tableau 5 Les types de solutions selon que le solvant est un gaz, un liquide ou un solide aux conditions ambiantes. Type de solution

Solution gazeuse

Hydrocarbure * Naphtalène aromatique couramment utilisé comme anti-mites.

Solution liquide

Solution solide

62

Chapitre 1 Univers matériel

Solvant

État initial du soluté

Exemple

Gaz

Gaz

L’air (mélange d’azote, d’oxygène, d’hydrogène)

Gaz

Liquide

La vapeur d’eau dans l’air

Gaz

Solide

Le naphtalène

Liquide

Gaz

L’oxygène dans l’eau des rivières et des lacs

Liquide

Liquide

L’éthanol (alcool) dans l’eau

Liquide

Solide

Le sel de table dans l’eau

Solide

Gaz

L’hydrogène dans les métaux

Solide

Liquide

Le mercure dans l’or

Solide

Solide

Le cuivre et le nickel

* dans l’air

On peut se représenter la dissolution d’un soluté dans un solvant à partir du modèle particulaire. Lors d’une dissolution, les particules (molécules) du solvant « s’insèrent » généralement entre les particules (molécules ou ions) du soluté (voir la figure 53). Particules de solvant

Particules de soluté a) Un grain de sucre (soluté) déposé dans l’eau (solvant).

b) Lorsque les molécules à la surface du grain de sucre sont attirées par les particules d’eau, elles se détachent et le grain de sucre se dissout peu à peu.

c) Lorsque le sucre est dissous, ses molécules se dispersent uniformément dans l’eau.

Figure 53 La dissolution selon le modèle particulaire.

On peut également se représenter le phénomène de la dissolution en considérant le comportement des atomes et des molécules du soluté et du solvant. Par exemple, la dissolution d’un grain de sucre (C12H22O11) dans l’eau est un cas de dissolution moléculaire, car les molécules du soluté demeurent intactes et se répartissent uniformément entre les molécules du solvant. Comme il s’agit aussi d’une solution aqueuse, on symbolise la molécule de sucre dissoute par la formule C12H22O11 (aq). L’indice « (aq) » signifie que les molécules de sucre dissoutes sont entourées de molécules d’eau (voir la figure 54).

Molécule d’eau : H2O (l)

Molécule de sucre : C12H22O11 (aq) Molécule de sucre : C12H22O11 (aq)

Figure 54 Les molécules de sucre dissoutes dans l’eau deviennent des molécules aqueuses qui sont entourées de molécules d’eau.

L’autre type de dissolution est la dissolution ionique, aussi appelée dissociation électrolytique. Par exemple, lors de la dissolution d’un grain de sel de table (NaCl) dans l’eau, les ions Na+ et Cl– se séparent et se répartissent uniformément entre les molécules du solvant. On symbolise les ions par les symboles Na+(aq) et Cl–(aq).

Voir La dissociation électrolytique, p. 76.

Les processus de dissolution permettent d’expliquer le comportement de la masse et du volume des substances avant et après la dissolution, l’insolubilité de certaines substances dans des solvants et les caractéristiques des solutions saturées. Section 2 Les propriétés des solutions

63

Le comportement de la masse et du volume des substances avant et après la dissolution Voir La loi de conservation de la masse, p. 89.

Lors d’une dissolution, la masse combinée du solvant et du ou des solutés est toujours conservée. Si on dissout 25 g de sucre dans 100 g d’eau, on obtiendra 125 g de solution (voir la figure 55).

a) Avant la dissolution : 125 g.

b) Après la dissolution : 125 g.

Figure 55 La masse des substances avant et après la dissolution est conservée. (Dans chaque cas, la balance est réglée de façon à ne pas inclure la masse du cylindre gradué et du bécher.)

Alcool

Eau

Eau + alcool

Cependant, lors d’une dissolution, le volume combiné du solvant et du soluté n’est pas toujours égal à la somme des volumes de soluté et de solvant. Par exemple, si on mélange 60 mL d’eau avec 30 mL d’alcool dans un cylindre gradué, on observe une diminution du volume. Au lieu d’obtenir exactement 90 mL de solution, on obtient un volume total d’environ 88 mL (voir la figure 56). Cette différence entre les volumes, avant et après dissolution, s’observe parce que les molécules d’eau s’insèrent dans les interstices entre les molécules d’alcool. Elles viennent ainsi combler une partie de l’espace qu’il y a entre les molécules d’alcool, comme des petites billes dispersées dans une caisse d’oranges.

64

Chapitre 1 Univers matériel

Figure 56 Au cours de la dissolution de l’éthanol (alcool), le volume total de la solution est légèrement inférieur à la somme des volumes du solvant et du soluté.

L’insolubilité de certaines substances dans des solvants Certaines substances ne peuvent pas se dissoudre dans certains solvants. Par exemple, l’huile ne se dissout pas dans de l’eau (voir la figure 57). Les molécules d’eau et d’huile ne se répartissent pas uniformément comme le font par exemple des molécules de sucre et d’eau dans une solution. En effet, les molécules d’eau s’attirent entre elles plus fortement qu’elles n’attirent les molécules d’huile. Il ne se forme donc pas de solution, mais plutôt un mélange hétérogène composé de deux phases. Pour caractériser la solubilité des liquides, on dit qu’ils sont « miscibles » ou « non miscibles ». Ainsi, l’alcool et l’eau sont des liquides miscibles, alors que l’huile et l’eau sont non miscibles. Par ailleurs, pour caractériser la solubilité des solides et des gaz dans un solvant liquide, on dit plutôt qu’ils sont « solubles » ou « insolubles ». Par exemple, le sucre et le dioxygène (O2) sont solubles dans l’eau alors que le fer est insoluble dans l’eau.

Figure 57 L’insolubilité de l’huile dans l’eau.

Les solutions saturées Il existe une limite à la quantité de sel qu’on peut dissoudre dans un certain volume d’eau. Lorsque l’eau ne peut plus dissoudre le sel, les molécules non dissoutes forment un résidu qui finit par se déposer au fond de la solution. On dit alors que la solution est saturée (voir la figure 58).

La solubilité

Figure 58 À 20 °C, la solubilité du sel (NaCl) dans l’eau est de 36 g/100 mL d’eau. L’apparition d’un résidu de sel dans la solution obtenue en c) indique que celle-ci est saturée.

SE

La solubilité est une propriété qui désigne la quantité maximale de soluté pouvant être dissoute dans un volume donné de solvant, ce qui permet de former une solution saturée. La solubilité s’exprime en grammes de soluté par 100 mL de solvant (g/100 mL). Par exemple, la solubilité maximale du chlorure de sodium (NaCl) dans l’eau pure à 0 °C est de 35,7 g/100 mL. La solubilité est une propriété caractéristique de la matière (voir le tableau 6).

OUTIL

2.2.2

a) À 20 °C, 20 g de NaCl se dissolvent pour former une solution insaturée. b) À 20 °C, 36 g de NaCl se dissolvent pour former une solution saturée. c) À 20 °C, 40 g de NaCl sont ajoutés à 100 mL d’eau. De cette quantité, 36 g se dissolvent pour former une solution saturée, et il reste 4 g de soluté non dissous.

11.6

La mesure de la solubilité

Tableau 6 La solubilité de certaines substances dans l’eau Substance

Phase

Solubilité (g/100 mL d’eau à 0 °C)

Bicarbonate de sodium (NaHCO3)

Solide

6,9

Chlorure de sodium (NaCl)

Solide

35,7

Diazote (N2)

Gazeuse

0,003

Dioxyde de carbone (CO2)

Gazeuse

0,34

Dioxygène (O2)

Gazeuse

0,007

Éthanol (C2H5OH)

Liquide

Illimitée

Huile de canola

Liquide

Insoluble

Sucrose (C12H22O11)

Solide

179,2 Section 2 Les propriétés des solutions

65

Solubilité (g/100 mL)

La solubilité varie en fonction de la température et, dans le cas d’un soluté gazeux, de la pression. C’est pourquoi il faut mesurer la solubilité d’une substance à une température et à une pression atmosphérique données. En général, la solubilité des solides dans l’eau augmente quand la température augmente. Par exemple, on peut dissoudre plus de nitrate de potassium (KNO3) dans de l’eau chaude que dans de l’eau froide (voir la figure 59). Cela s’explique en partie par le fait que plus la température augmente, plus les particules du solvant acquièrent de l’énergie. Ces particules se déplacent donc plus rapidement et sont plus espacées. Il en résulte qu’un plus grand nombre de particules de 140 soluté peuvent se loger 130 entre les particules du Iodure de potassium (KI) 120 solvant. Cependant, lors110 qu’on refroidit la solution, Nitrate de 100 les particules de solvant potassium (KNO3) se resserrent et les inter90 actions entre les partiNitrate de 80 sodium (NaNO3) cules redeviennent plus 70 fortes. Le soluté a donc 60 plus de difficulté à se 50 mélanger au solvant. 40 30

Chlorure de sodium (NaCI)

20 10 0

Sulfate de cérium (CeSO4)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Température du solvant (°C)

Figure 59 La solubilité de quelques substances solides dans l’eau.

En ce qui concerne les gaz, c’est le contraire qui se produit : plus la température de l’eau augmente, plus la solubilité des gaz diminue. Lorsque le solvant se réchauffe, les particules de gaz dissous ont plus d’énergie, bougent plus rapidement et s’échappent plus facilement du liquide en faisant des bulles. Par exemple, en été, lorsque l’eau devient plus chaude, certains poissons recherchent les eaux froides profondes qui contiennent plus d’oxygène dissous nécessaire à leur respiration. La solubilité des gaz dépend de la pression. Plus la pression exercée sur un gaz est forte, plus la solubilité augmente. Par exemple, la pression interne qui règne dans une bouteille de boisson gazeuse fermée par un bouchon est très élevée. Lorsque la bouteille est ouverte, des bulles se forment dans le liquide, car le gaz qui y était dissous est expulsé en raison de la baisse soudaine de pression provoquée par l’ouverture du bouchon. La solubilité dépend aussi de la nature du soluté et du solvant. On peut classer la solubilité d’un soluté en deux catégories, selon son affinité avec l’eau ou avec les lipides (corps gras). Les substances solubles dans l’eau sont dites « hydrosolubles » et celles qui sont solubles dans les solvants gras comme les huiles, « liposolubles ».

66

Chapitre 1 Univers matériel

L’exploitation des mines de sel gemme par dissolution et vaporisation Le sel gemme ou « sel fossile » enfoui sous terre provient de l’évaporation d’anciennes mers. On l’extrait généralement en injectant de l’eau pour dissoudre le sel, puis on pompe la solution obtenue jusqu’à la surface (voir la figure 60 ). Cette solution saline est alors prête pour l’étape Injection d’eau douce de raffinage (par recristallisaEau salée tion) pour un usage alimentaire. Ce procédé consiste à faire augmenter la concentration en sel en évaporant l’eau, jusqu’à l’apparition de cristaux. Lorsque les cristaux de sel se forment, les impuretés en sont expulsées et restent en solution. On ajoute ensuite des agents chimiques qui font précipiter les impuretés Sel gemme au fond de la cuve, puis on récupère le sel pur et on le sèche.

Figure 60 Pour extraire le sel, on utilise un procédé qui consiste à dissoudre le sel en injectant de l’eau par des trous forés dans le sol. On pompe ensuite l’eau salée vers la surface pour en extraire le sel par évaporation de l’eau.

Le rideau d’eau La contamination de l’air par des gaz toxiques comporte des risques majeurs pour la santé et l’environnement. Un rideau d’eau froide est utilisé comme système de sécurité en cas de fuite d’un gaz toxique. On pulvérise de l’eau froide en fines gouttelettes au-dessus de la fuite de gaz, ce qui permet de former un écran liquide afin de limiter Rideau d’eau la dispersion du nuage de gaz (voir la figure 61). Le fonctionnement d’un rideau d’eau repose principalement sur la solubilité des gaz dans l’eau. Ainsi, une partie du gaz se dissout dans l’eau froide et est entraînée par l’eau. Le processus se poursuit et fait diminuer la concentration du gaz dans l’air. L’efficacité d’un rideau d’eau est d’autant plus grande que les gouttelettes d’eau sont fines. En effet, plus les gouttes sont petites, plus il y a de surface de contact entre le gaz à dissoudre et l’eau, ce qui augmente le taux de dissolution. L’augmentation du débit favorise aussi l’absorption des gaz.

Tuyau

Figure 61 Lorsque le rideau d’eau est en action, le gaz à éliminer se dissout dans l’eau froide et est retiré de l’atmosphère. Section 2 Les propriétés des solutions

67

CONCEPT

2.3 La concentration et la dilution ST

STE

SE

La concentration d’une solution est le rapport entre la quantité de soluté dissous et la quantité totale de solution. La dilution est une transformation physique qui permet d’obtenir une solution finale d’une concentration inférieure à la solution de départ. Une solution concentrée contient une quantité importante de soluté dissous par rapport au volume de la solution. Au contraire, une solution diluée contient une faible quantité de soluté dissous par rapport au volume de la solution (voir la figure 62). Solution concentrée

Solution diluée

Figure 62 Une solution concentrée contient davantage de particules de soluté dissoutes qu’une solution diluée.

En chimie, lorsque vient le temps de préparer une solution, il faut mesurer et calculer les quantités avec le plus de précision possible.

La concentration en grammes par litre (g/L) et en pourcentage (%) SE

2.3.1

La concentration d’une solution se traduit par le rapport entre la quantité de soluté dissous et la quantité totale de solution. L’équation générale employée pour exprimer ce rapport est : Concentration 

Quantité de soluté Quantité de solution

Les quantités de soluté et de solution utilisées dans le calcul de la concentration peuvent être exprimées à l’aide de différentes unités de mesure. Les unités employées pour exprimer la concentration sont présentées dans l’encadré suivant. En grammes par litre : m (soluté) C(solution)  V(solution)



C(solution)  Concentration de la solution, exprimée en grammes par litre (g/L) m(soluté)  Masse du soluté, exprimée en grammes (g) V(solution)  Volume de la solution, exprimé en litres (L)

En pourcentage : m(soluté) C en % m/m   100 m(solution)

68

Chapitre 1 Univers matériel

C en % m/V 

m(soluté)  100 V(solution)

C en % V/V 

V(soluté)  100 V(solution)

Les exemples suivants montrent comment on calcule la concentration en grammes par litre et en pourcentage. Exemple A

Exemple B

Calculer la concentration en grammes par litre de sels minéraux d’un échantillon d’eau de mer de 15 L contenant 525 g de sels dissous.

Calculer la concentration en acide acétique d’un échantillon de vinaigre de 1,5 L contenant 75 mL d’acide acétique.

Données : V(solution)  15 L

Calcul : m (soluté) C(solution)  V(solution)

m(soluté)  525 g

C(solution) 

C(solution)  ?

C(solution)  35 g/L

2.3.2 ST

525 g 15 L

Données :

Calcul :

V(soluté)  75 mL  0,075 L

C en % V/V 

V(soluté)  100 V(solution)

V(solution)  1,5 L

C en % V/V 

0,075 L  100 1,5 L

C en % V/V  ?

C en % V/V  5 % V/V

La concentration en parties par million (ppm) STE

SE

La concentration en parties par million (ppm) est le rapport entre le nombre de parties de soluté par un million de parties de solution, soit 1/1 000 000. Ces unités sont souvent utilisées en toxicologie pour exprimer de très faibles concentrations de substances toxiques présentes dans l’environnement. Au Québec, par exemple, la concentration maximale en cuivre dans l’eau potable ne doit pas dépasser 1 ppm. Cela revient à dire qu’il ne doit pas y avoir plus qu’un gramme de cuivre dissous dans un million de grammes d’eau (1 m3), soit 1 g/1 000 000 g.

Voir L’écotoxicologie, p. 383.

On calcule les concentrations en parties par million comme celles en pourcentage, mais au lieu de multiplier par 100, on multiplie par 1 000 000. Les ppm sont très utiles pour exprimer de faibles concentrations. Pour exprimer une concentration en parties par million, on utilise l’équation générale suivante :

C (ppm) 

Masse de soluté  106 Masse de solution

L’exemple suivant montre comment on calcule la concentration en parties par million. Exemple C Quelle est la concentration en parties par million du « chlore » [Ca(ClO)2] dans l’eau d’une piscine si on a mis 150 g de Ca(ClO)2 dans 55 m3 d’eau ? On considère que 1 m3 d’eau a une masse de 1 000 kg.

Données : m(soluté)  150 g V(solution)  55 m3 m(solution)  ? C(ppm)  ?

1. Transformation des unités de mesure : 1 kg m(soluté)  150 g   0,150 kg 1 000 g 2. Calcul de la masse de la solution : m(solution)  55 m3  1 000 kg/m3  55 000 kg

3. Calcul de la concentration en ppm : m(soluté) C(ppm)   106 m(solution) C(ppm) 

0,150 kg  106 55 000 kg  0,150 kg

C(ppm) 

0,150 kg  106  2,7 ppm 55 000,150 kg

Section 2 Les propriétés des solutions

69

2.3.3

La concentration molaire (mol/L)

STE

SE

La concentration molaire d’une solution est le nombre de moles de soluté dissous dans 1 L de solution. Elle est exprimée en moles par litre (mol/L). Également appelée « molarité », la concentration molaire est l’unité de concentration la plus utilisée en chimie puisqu’elle permet de faire des calculs mettant en jeu des quantités dans des transformations chimiques. Le symbole de la concentration molaire est C et le calcul se fait comme suit :

Voir La notion de mole et le nombre d’Avogadro, p. 53.

C

n V



C  Concentration molaire, exprimée en moles par litre (mol/L) n  Nombre de moles de soluté V  Volume de la solution, exprimé en litres (L)

Les exemples suivants montrent comment on calcule la concentration molaire. Exemple D Calculer la concentration molaire d’une solution aqueuse contenant 5 g d’éthanol (C2H5OH) dans 0,750 L de solution. La masse molaire de l’éthanol est de 46,08 g/mol. Données : m(soluté)  5 g V(solution)  0,750 L

1. Conversion de la masse d’éthanol en nombre de moles : m n M n

5g  0,108 5 mol 46,08 g/mol

2. Calcul de la concentration molaire : n C V C

0,108 5 mol  0,144 7 mol/L 0,750 L

M(soluté)  46,08 g/mol C?

Exemple E Calculer la masse d’hydroxyde de sodium (NaOH) nécessaire pour préparer 100 mL d’une solution à une concentration de 5 mol/L. La masse molaire du NaOH est de 40,0 g/mol. Données : V(solution)  100 mL

1. Transformation des unités de mesure : 1L V(solution)  100 mL   0,1 L 1 000 mL

C  5 mol/L

2. Calcul du nombre de moles de soluté requis : n C donc n  V  C V n  0,1 L  5 mol/L  0,5 mol

M(soluté)  40,0 g/mol m(soluté)  ?

3. Conversion du nombre de moles de soluté en grammes : m n donc m  n  M M m  0,5 mol  40 g/mol m  20 g

Il faut donc dissoudre 20 g de NaOH.

70

Chapitre 1 Univers matériel

2.3.4

La dilution

SE

La dilution permet de diminuer la concentration d’une solution. Lorsqu’on dilue une solution, on ajoute du solvant à la solution initiale et le rapport soluté/solvant diminue. Par exemple, si l’on double le volume du solvant utilisé pour faire une solution, il y aura deux fois plus de molécules de solvant que de molécules du soluté et la concentration sera divisée par deux (voir la figure 63). Figure 63 Dans une solution de plus en plus diluée, le nombre de particules de soluté reste le même, alors que le volume de solvant augmente.

La dilution par ajout de solvant Lorsqu’on fait une dilution par ajout de solvant, la quantité de soluté reste la même et le volume de solvant augmente. Cette technique de dilution est utilisée pour préparer rapidement une solution diluée. Cependant, elle ne permet pas toujours de préparer le volume exact de solution souhaité. On peut alors se retrouver avec une trop grande quantité de solution. On se sert donc de l’ajout de solvant pour diluer une solution concentrée dans de faibles proportions, par exemple lorsqu’on veut diviser la concentration par deux, par trois ou par quatre.

OUTIL

Il existe deux façons de préparer des solutions diluées au laboratoire : la dilution par ajout de solvant et la dilution par prélèvement d’une partie de la solution initiale et ajout de solvant.

9.2

La dilution

L’équation suivante est aussi très utile pour calculer la concentration des solutions finales :

C1V1  C2V2



C1  Concentration de la solution initiale V1  Volume de la solution initiale C2  Concentration de la solution finale V2  Volume souhaité de la solution finale

Lorsqu’on utilise cette équation, il est important que les données soient exprimées avec les mêmes unités de mesure, comme le montre l’exemple suivant. Exemple F Pour nettoyer des fenêtres, on veut préparer une solution diluée de vinaigre. Si on a une bouteille de 250 mL de vinaigre commercial, dont la concentration est de 4 % V/V, quel volume d’eau faut-il y ajouter pour obtenir une solution à 1 % V/V ?

Données : V1  250 mL C1  4 % V/V C2  1 % V/V

1. Calcul du volume final de la solution : C1V1 Si C1V1  C2V2, alors V2  C2 4 % V/V  250 mL V2  1 % V/V V2  1 000 mL

2. Calcul du volume d’eau à ajouter : Volume d’eau à ajouter  Volume final (V2) – Volume initial (V1)  1 000 mL – 250 mL  750 mL Il faut donc ajouter 750 mL d’eau aux 250 mL de la solution initiale.

V2  ?

Section 2 Les propriétés des solutions

71

La dilution par prélèvement d’une partie de la solution initiale et ajout de solvant Cette façon de diluer, très courante au laboratoire, est beaucoup plus polyvalente que la dilution par ajout de solvant. Elle permet de diluer de beaucoup une solution concentrée sans générer une quantité importante de solution. L’exemple suivant montre comment effectuer les calculs lors d’une dilution par prélèvement d’une partie de la solution initiale et ajout de solvant. Exemple G Quel volume d’une solution de NaCl dont la concentration est de 20 g/L doit-on prélever pour préparer 100 mL d’une solution à 1 g/L ?

Données :

Calcul :

C1  20 g/L

Si C1V1  C2V2, alors : C2V2 V1  C1

C2  1 g/L V2  100 mL  0,1 L V1  ?

V1  1 g/L  0,1 L 20 g/L V1  0,005 L  5 mL

Pour préparer cette solution, on prélève 5 mL de la solution concentrée auxquels on ajoute suffisamment d’eau pour obtenir un volume total de 100 mL.

La dilution naturelle Lors d’un déversement accidentel de contaminants dans l’environnement, par exemple à la suite d’un accident de la route ou d’un accident maritime ou ferroviaire, des substances dangereuses peuvent contaminer les sols ou les cours d’eau (voir la figure 64). En pareil cas, les autorités civiles suivent des protocoles très rigoureux pour limiter au maximum la contamination, pour avertir la population des dangers pour la santé humaine et les activités agricoles, et pour rapidement décontaminer les sols et les eaux à proximité du déversement. Cependant, il y a toujours une quantité plus ou moins importante de contaminants qui demeure dans l’environnement et qui est drainée plus ou moins rapidement vers les cours d’eau en raison du ruissellement.

Figure 64 Un déversement de bauxite dans le Saguenay, au Québec.

Voir L’écotoxicologie, p. 384.

72

Chapitre 1 Univers matériel

La dilution naturelle dans les cours d’eau entraîne une réduction graduelle de la concentration des contaminants. D’amont en aval, cette concentration diminue en fonction du débit des cours d’eau et de la distance. Cela permet d’atténuer certains impacts à court terme, car plus la concentration d’un contaminant est faible, moins il a d’effet immédiat sur le milieu et les organismes qui l’absorbent. Cependant, tous les contaminants déversés restent présents dans l’environnement ; ils sont seulement plus dispersés. Ainsi, à moyen et long terme, il y a une accumulation de ces contaminants dans l’eau et dans les sédiments présents au fond des cours d’eau. Ce phénomène d’accumulation est très inquiétant puisqu’il augmente graduellement la toxicité de l’eau et des sols et entraîne des transformations chimiques inattendues entre les différents contaminants. De plus, ces contaminants sont absorbés dans l’ensemble des chaînes alimentaires.

CONCEPT

2.4 La conductibilité électrique et les électrolytes ST STE SE

La conductibilité électrique est une propriété physique qui correspond à la capacité d’une substance (solide, liquide ou gazeuse) de permettre le passage d’un courant électrique. Les électrolytes sont des substances qui, lorsqu’elles sont dissoutes dans l’eau, permettent le passage d’un courant électrique. Lorsqu’une substance permet le passage d’un courant électrique, on dit qu’elle est conductrice. Les conducteurs les plus connus sont les métaux, comme le cuivre qui compose les fils électriques des résidences. Toutefois, la conductibilité électrique n’est pas une propriété exclusive aux métaux. En effet, certaines solutions permettent également le passage d’un courant électrique. Ces solutions sont appelées des « solutions électrolytiques ».

2.4.1

La conductibilité électrique des solutions

ST

STE

SE

*

pure Eau qui ne contient aucune * Eau trace d’autres substances.

Voir La concentration et la dilution, p. 68. Voir La salinité, p. 281.

40 35

OUTIL

30

20

10 1

0

Eau de mer Eau douce

0 Eau pure

a) La salinité de l’eau de l’océan, de l’eau douce et de l’eau pure.

11.7

La mesure de la conductibilité électrique

Concentration en ions

Concentration moyenne en sels minéraux (g/L)

L’eau pure ne conduit pratiquement pas le courant électrique. Elle est dite isolante, tout comme l’air et les gaines de matière plastique qui recouvrent les fils électriques. Cependant, il est très rare que l’eau se trouve à l’état pur dans la nature. En effet, l’eau des océans contient une forte concentration de sels minéraux dissous ; l’eau douce en contient également, bien qu’en concentration moindre. C’est justement la présence de ces sels minéraux qui donne à l’eau des océans et à l’eau douce la propriété de conduire le courant électrique plus ou moins efficacement. Une fois dissous, les sels minéraux libèrent des particules chargées (les ions) qui permettent au courant électrique de circuler. Plus la concentration en ions d’une solution est élevée, plus la conductibilité électrique est grande (voir la figure 65). C’est pourquoi l’eau « salée » des océans, qui contient une concentration élevée d’ions, est beaucoup plus conductrice que l’eau douce des rivières, dont la concentration en sels minéraux, et donc en ions, est moindre. Pour sa part, l’eau pure n’est pas conductrice puisque sa concentration en ions est pratiquement nulle.

Conductibilité électrique b) Plus grand est le nombre d’ions libérés dans la solution, plus grande est la conductibilité électrique.

Figure 65 La concentration moyenne en sels minéraux (salinité) et la conductibilité électrique de l’eau de l’océan, de l’eau douce et de l’eau pure.

Section 2 Les propriétés des solutions

73

2.4.2

Voir La dissolution et la solubilité, p. 62.

Les électrolytes

ST

STE

SE

Les électrolytes sont des substances qui, une fois dissoutes dans l’eau, permettent le passage d’un courant électrique, en raison de la présence d’ions. Par exemple, le chlorure de sodium (NaCl) dissous dans de l’eau est un électrolyte, puisque les ions Na+ et Cl– libérés lors de la dissolution du NaCl (le soluté) permettent le passage du courant. La solution ainsi formée porte le nom de solution électrolytique. D’autres substances en solution ne permettent pas le passage du courant électrique : ce sont des non-électrolytes. Par exemple, une solution d’eau sucrée n’est pas une solution électrolytique, car aucun ion n’est libéré lors de la dissolution du sucre.

La pêche électrique Les salles de bain L’eau du robinet, qui contient naturellement des sels minéraux, peut être un bon conducteur, surtout quand on y dissout du savon. C’est pourquoi il peut être dangereux d’utiliser des appareils électriques comme un sèchecheveux dans les salles de bain. Pour éviter les dangers d’électrocution, la Loi sur le bâtiment exige que toute prise électrique située à moins de 3 mètres d’une baignoire, d’une douche ou d’un lavabo soit munie d’un dispositif de protection empêchant les électrocutions. Comme dispositif de protection, on utilise habituellement un disjoncteur de fuite à la terre, aussi appelé « disjoncteur différentiel » (voir la figure 66 ).

La pêche électrique est une technique de pêche utilisée par les biologistes pour faire l’étude des populations de poissons dans les cours d’eau. Cette technique est basée sur le fait que l’eau des ruisseaux et des rivières conduit l’électricité. Elle consiste à faire passer un courant électrique dans l’eau pour attirer les poissons vers la surface, dans le but de les capturer vivants au moyen d’une puise. Le dispositif utilisé comporte plusieurs composantes. Une source d’alimentation électrique (la batterie) est branchée à une boîte de commande, elle-même reliée à une perche au bout de laquelle sont placées deux électrodes. Une tige en acier inoxydable sert d’anode (l’électrode positive) et une plaque de cuivre fixée sur la perche sert de cathode (l’électrode négative). Cette perche est reliée à un interrupteur qui permet de mettre en marche l’appareil au moment voulu (voir la figure 67 ). Le champ électrique produit autour de l’anode fait réagir les poissons qui se trouvent dans un rayon de deux mètres environ. Le système nerveux des poissons subit l’influence du champ électrique et ceux-ci nagent vers l’anode. Il ne reste qu’à les recueillir pour les identifier avant de les relâcher. Cette technique, sans danger pour les poissons, est uniquement réservée à la recherche scientifique. Les techniciens et les biologistes qui pratiquent la pêche électrique doivent porter des bottes de caoutchouc isolant pour éviter de ressentir les effets du courant circulant dans l’eau.

Batterie

Boîte de commande Interrupteur Cathode

Anode

Figure 66 Une prise électrique munie d’un disjoncteur de fuite à la terre.

74

Chapitre 1 Univers matériel

Figure 67 La pêche électrique est une technique de pêche utilisée par les scientifiques pour répertorier les diverses espèces de poissons d’un cours d’eau. Le matériel utilisé est suffisamment léger pour être porté par une personne.

La pollution par les piles voltaïques Depuis les années 1990, on assiste à une utilisation croissante de piles et de batteries dans les ordinateurs potables ou les téléphones cellulaires. Qu’elles soient de type nickel-cadmium, nickel-zinc, au lithium ou au plomb, les piles et les batteries sont extrêmement dommageables pour l’environnement. Les différents types d’électrodes et d’électrolytes qu’elles contiennent sont composés de métaux lourds qui, si les piles sont jetées, contaminent éventuellement les eaux et les sols et sont absorbés par les organismes vivants. En plus du mercure (Hg), dont l’utilisation est de plus en plus restreinte, elles peuvent contenir de grandes quantités de cadmium (Cd), de plomb (Pb) et de nickel (Ni). Le recyclage des piles et des batteries est donc essentiel pour protéger l’environnement, mais aussi pour des raisons de préservation des ressources. En effet, le recyclage permet de réutiliser des métaux (ressources non renouvelables) qui coûtent souvent cher à extraire du sol et à transformer, et de limiter l’exploitation minière. C’est donc un double avantage, surtout avec le développement prévu de piles et de batteries de plus en plus performantes, en particulier pour les véhicules électriques.

Les piles sèches Les piles dites « classiques », les piles alcalines et les piles au lithium sont des piles sèches qui fournissent un courant électrique grâce à des réactions chimiques (voir la figure 68 ).

Anode (paroi intérieure de zinc) Cathode faite d’une tige de graphite et de dioxyde de manganèse (Mn02) Pâte d’électrolyte faite d’hydroxyde de potassium (KOH)

Figure 68 La pile alcaline contient un électrolyte en pâte, l’hydroxyde de potassium (KOH).

Pour que les électrons libérés puissent générer un courant électrique, il faut que les électrodes (anode et cathode) soient plongées dans une solution électrolytique. Cette solution n’est pas liquide dans les piles sèches, mais prend plutôt la forme d’une pâte.

Section 2 Les propriétés des solutions

75

CONCEPT

2.5 La dissociation électrolytique

ST

STE

La dissociation électrolytique se produit lorsqu’un soluté se sépare en deux ions de charges opposées lors de sa dissolution dans un solvant. Voir La dissolution et la solubilité, p. 62.

Voir La conductibilité électrique et les électrolytes, p. 74.

Lorsqu’on dissout un soluté dans un solvant et que les molécules qui forment le soluté restent intactes dans le solvant, il s’agit d’une dissolution moléculaire. Dans ce type de dissolution, les molécules de solvant ne font qu’entourer les molécules de soluté sans toutefois parvenir à les briser. C’est ce qui se produit lorsque du sucre (C12H22O11) se dissout dans de l’eau. Ce type de soluté qui ne forme pas d’ions lorsqu’il est dissous est appelé un soluté « non électrolyte ». Il ne permet pas le passage du courant électrique. Cependant, lorsqu’un électrolyte comme du sel de table (NaCl) est dissous en solution aqueuse, il y a formation d’ions de charges opposées qui permettent alors au courant électrique de passer. Ce type de dissolution est appelé « dissociation électrolytique ». La dissociation électrolytique est une transformation physique de la matière. En effet, même si les molécules de l’électrolyte se séparent en ions, ses propriétés sont conservées et il est possible de le reconstituer par des moyens physiques simples telle l’évaporation du solvant, par exemple. La dissociation électrolytique a lieu lorsque les molécules du solvant (la plupart du temps de l’eau) réussissent à briser le soluté en ions. C’est la polarité des molécules d’eau qui rend possible la dissociation électrolytique (voir la figure 69). Extrémité chargée négativement Dipôle négatif

–

O

H

H

+ + Extrémité chargée positivement

Dipôle positif

Figure 69 L’eau est une molécule polaire en forme de V. L’extrémité négative se trouve du côté de l’atome d’oxygène et les extrémités positives sont situées du côté des atomes d’hydrogène. La polarité de la molécule d’eau est ce qui la rend si apte à dissoudre les solutés.

L’agencement des deux atomes d’hydrogène (H) et de l’atome d’oxygène (O) dans la molécule d’eau a une forme angulaire. La distribution irrégulière des électrons de valence entre les trois atomes de la molécule entraîne la formation de deux dipôles : un dipôle négatif du côté de l’atome d’oxygène et un dipôle positif du côté des atomes d’hydrogène. Cette polarité explique pourquoi les molécules d’eau s’attirent mutuellement et pourquoi les gouttes d’eau peuvent prendre toutes sortes de formes (voir la figure 70).

76

Chapitre 1 Univers matériel

Figure 70 La forme des gouttelettes d’eau résulte de l’attraction mutuelle des molécules d’eau. Cette attraction découle de leur polarité.

En plus de s’attirer mutuellement, les molécules d’eau peuvent aussi attirer les ions d’un soluté pour le dissoudre. Ainsi, lors d’une dissociation électrolytique, les ions du soluté sont davantage attirés par les molécules d’eau (solvant) que par les ions qui sont près d’eux. L’électrolyte se dissocie alors en ions aqueux (aq) distincts de charges opposées (voir la figure 71).

+ NaCl (s)

Na+ (aq)

+

Cl– (aq)

Figure 71 La dissociation électrolytique du chlorure de sodium (NaCl) en ions positifs (Na+) et négatifs (Cl–) dans l’eau. Les ions positifs sont entourés par les extrémités négatives des molécules d’eau polaires alors que les ions négatifs sont entourés par les extrémités positives des molécules d’eau polaires.

Les dissociations électrolytiques sont représentées à l’aide d’une équation. Par exemple, on représente la dissociation électrolytique du chlorure de sodium de la façon suivante : NaCl (s)  Na(aq)  Cl– (aq)

REPÈRE

SVANTE AUGUST ARRHENIUS Chimiste suédois (1859-1927)

Dans une équation de dissociation, la formule chimique du solvant, H2O(l), n’apparaît pas comme réactif, car il ne s’agit pas ici d’une transformation chimique. Il n’y a pas de réaction chimique impliquée lors de la dissociation ou de la dissolution, seulement une transformation physique. Les lettres « (aq) » indiquent que les ions sont en solution aqueuse.

Placage électrolytique Les solutions électrolytiques ont de nombreuses applications industrielles, entre autres grâce au placage électrolytique. Ce procédé consiste à forcer, à l’aide d’un courant électrique, le dépôt d’ions métalliques sur une surface conductrice. Le placage des pièces de monnaie, ou encore des bijoux, en est un exemple ( voir la figure 72 ). Pour ce faire, on trempe la pièce, faite d’un métal non précieux, dans une solution de sels d’or, par exemple, et on la relie à une électrode, l’autre électrode étant plongée dans la solution. Lorsque le courant circule, les ions or vont se déposer sur la pièce et former une mince couche d’or métallique. Cette technique a de nombreuses applications industrielles, principalement pour modifier les propriétés (dureté, résistance à la corrosion, frottement) de Figure 72 La plupart des pièces de monnaie en circupièces métalliques. lation dans le monde sont en acier recouvert de nickel et

S. A. Arrhenius bouleverse le monde de la chimie en proposant, en 1884, une cinquantaine d’hypothèses sur la dissociation des électrolytes et l’idée tout à fait originale pour l’époque que ni les sels purs ni l’eau pure ne sont conducteurs alors qu’une solution de sels l’est. Son célèbre mémoire intitulé Recherches sur la conductibilité galvanique des électrolytes lui permet d’obtenir de justesse son diplôme de doctorat en 1884, car ses théories n’impressionnent pas du tout ses professeurs. Pourtant, c’est sur la base de ce même travail qu’il obtient, en 1903, le prix Nobel de chimie.

de cuivre grâce à un procédé de placage électrolytique.

Section 2 Les propriétés des solutions

77

2.5.1

Voir La conductibilité électrique et les électrolytes, p. 73.

La force des électrolytes

STE

La force des électrolytes correspond au taux de dissociation électrolytique du soluté en ions. Les électrolytes ne se dissocient pas tous de façon semblable. Plus un électrolyte est fort, plus grande est sa conductibilité électrique. Un électrolyte fort aura un taux de dissociation très élevé, soit près de 100 % ; lorsqu’il est dissous, tout ou presque tout le soluté se dissocie pour former des ions. On considère qu’un électrolyte est faible lorsque son taux de dissociation électrolytique est inférieur à 25 %, ce qui signifie que seulement le quart du soluté se dissocie et forme des ions. En conséquence, plus il y a d’ions dans la solution, plus le courant circule aisément (voir la figure 73). Si le soluté, une fois dissous dans l’eau, n’est pas un électrolyte, il n’y a pas d’ions dans la solution et le courant ne circule pas. Pile Électrodes

Ions

Figure 73 Les ions libérés lors de la dissociation électrolytique permettent au courant de circuler entre les électrodes plongées dans la solution.

Pour observer la force des électrolytes, il suffit de faire une expérience dans laquelle on compare la conductibilité de plusieurs solutions électrolytiques où plusieurs différents solutés sont en concentrations égales. Le montage expérimental est formé d’une solution à une concentration de 1 mol/L dans laquelle sont plongées deux électrodes reliées à une ampoule et une source d’alimentation électrique (voir la figure 74).

Figure 74 La conductibilité électrique de solutions aqueuses d’acide chlorhydrique (HCI), d’hydroxyde de sodium (NaOH), de chlorure de sodium (NaCI) et d’eau pure (H2O). La brillance de l’ampoule montre la variation de la conductibilité électrique des trois électrolytes. L’eau est un non-électrolyte.

78

Chapitre 1 Univers matériel

À concentrations égales, certains électrolytes sont donc plus conducteurs que d’autres. Par exemple, le chlorure de sodium (NaCl) en solution, dont le taux de dissociation est de 100 %, est un électrolyte fort. À l’opposé, l’acide acétique (CH3COOH) en solution (comme le vinaigre) possède un faible taux de dissociation électrolytique. Il constitue donc un électrolyte plus faible que le NaCl en solution. Enfin, une solution d’éthanol (C2H5OH) ne conduit pas l’électricité, car aucune molécule n’est dissociée sous forme d’ions. L’éthanol en solution aqueuse est donc considéré comme un non-électrolyte (voir la figure 75).

NaCl(s)  Na+(aq) + Cl–(aq) Avant la dissolution

100 %

Molécules Après la dissolution

0% Molécules

0% Ions 100 %

0% Ions 100 %

Ions

Ions

a) Avec un électrolyte fort comme le NaCl(s) dissous dans l’eau, la totalité du soluté se dissocie pour former des ions.

CH3COOH(s)  CH3COO–(aq) + H+(aq) Avant la dissolution

100 %

Molécules Après la dissolution

0% Ions

0% Ions

2% Ions

2% Ions

98 % Molécules

b) Avec un électrolyte faible comme le CH3COOH(s) dissous dans l’eau, seul un faible pourcentage du soluté se dissocie pour former des ions.

C2H5OH(l)  C2H5OH(aq) Avant la dissolution

100 %

100 %

Molécules 100 %

Molécules 100 %

Molécules

Molécules

Après la dissolution

c) Avec un non-électrolyte comme le C2H5OH(l) dissous dans l’eau, aucune molécule du soluté ne se dissocie et aucun ion n’est formé.

Figure 75 La force d’un électrolyte dépend de son taux de dissociation électrolytique.

Section 2 Les propriétés des solutions

79

2.5.2

Les acides, les bases et les sels

ST

STE

SE

Les acides, les bases et les sels sont des exemples de substances électrolytiques de la vie courante. Le vinaigre et le jus de citron sont des exemples de substances acides. L’hydroxyde de sodium (NaOH), ou « soude caustique », qu’on trouve dans de nombreux produits nettoyants domestiques, et l’hydroxyde de magnésium [Mg(OH)2], qui entre dans la composition des liquides utilisés pour soulager les aigreurs d’estomac, sont des exemples de substances basiques. Le sel de table (NaCl) et le sel de voirie (CaCl2), qu’on épand sur les routes l’hiver afin de les rendre moins glissantes, sont des exemples de sels.

Les acides

Voir La neutralisation acidobasique, p. 102.

Figure 76 Une solution d’acide chlorhydrique (HCl) réagit chimiquement au contact du zinc, qui est un métal. Voir Les familles et les périodes du tableau périodique, p. 39.

Les acides sont des électrolytes qui libèrent des ions H+(aq) lorsqu’ils sont dissous dans l’eau. Ils réagissent chimiquement avec un grand nombre de substances en dissolvant les métaux et d’autres matériaux comme le calcaire, par exemple (voir la figure 76). Les acides peuvent également neutraliser les bases. Une solution acide réagit au contact de divers indicateurs, tel le papier tournesol bleu, en le faisant virer au rouge. Un acide fort est un électrolyte fort parce que presque toutes ses molécules se dissocient pour libérer une grande quantité d’ions H+(aq). Les équations suivantes représentent la dissociation électrolytique de quelques acides communs : Acide chlorhydrique

HCl(g)  H+(aq) + Cl–(aq)

Acide sulfurique

H2S04(l)  2 H+(aq) + SO4–(aq)

Acide acétique

CH3COOH(l)  H+(aq) + CH3COO–(aq)

Par exemple, l’acide chlorhydrique (HCl) qui est sécrété par les cellules de la paroi de l’estomac est un acide fort. Son taux de dissociation est proche de 100 %. L’acide sulfurique (H2SO4), souvent présent en faible concentration dans les pluies acides, est également un acide fort. L’acide acétique (CH3COOH), qui est l’acide contenu dans le vinaigre, est un acide faible, car son taux de dissociation est d’environ 2 %. La formule chimique de nombreux acides débute par le symbole de l’hydrogène (H) suivi d’un non-métal ou d’un groupe d’atomes. La formule de certains acides, comme l’acide acétique (CH3COOH) fait exception.

Les bases Les bases sont des électrolytes qui libèrent des ions OH–(aq) lorsqu’ils sont dissous dans l’eau. Elles ne réagissent pas avec les métaux et peuvent neutraliser les acides. Une solution basique, aussi appelée « alcaline », réagit au contact de divers indicateurs, tel le papier tournesol rose, en le faisant virer au bleu. Plus le taux de dissociation d’une base est élevé, plus il libère d’ions OH–(aq) et plus la base est forte. Les équations suivantes représentent la dissociation électrolytique de quelques bases communes :

80

Chapitre 1 Univers matériel

Hydroxyde de sodium

NaOH(s)  Na+(aq) + OH–(aq)

Hydroxyde de calcium

Ca(OH)2(s)  Ca2+(aq) + 2 OH–(aq)

Hydroxyde d’ammonium

NH4OH(l)  NH4+(aq) + OH–(aq)

De nombreux produits nettoyants sont des substances basiques (voir la figure 77). L’hydroxyde de sodium (NaOH), aussi appelé « soude caustique », est une base forte dont le taux de dissociation est proche de 100 % et qui est largement utilisée dans diverses industries comme agent nettoyant. L’hydroxyde de calcium [Ca(OH)2], aussi appelé « chaux », est également une base forte utilisée entre autres pour la fabrication du mortier. L’hydroxyde d’ammonium (NH4OH), aussi appelé « ammoniaque » lorsqu’il est dissous dans l’eau, est une base faible utilisée comme produit nettoyant et dans la fabrication d’engrais chimiques. La formule chimique de la plupart des bases débute par un métal et se termine par l’ion polyatomique hydroxyde (OH). L’hydroxyde d’ammonium est une des exceptions à cette règle.

Figure 77 Un nettoyant liquide est un exemple de solution alcaline.

Les sels Les sels sont des électrolytes qui libèrent des ions positifs et négatifs lorsqu’ils sont dissous dans l’eau (voir la figure 78). Les sels sont l’un des produits qui résultent de la neutralisation acidobasique. Les équations suivantes représentent la dissociation électrolytique de quelques sels communs : Chlorure de sodium

NaCl(s)  Na+(aq) + Cl–(aq)

Sulfate de calcium

CaSO4(s)  Ca2+(aq) + SO42–(aq)

Dinitrate de plomb

Pb(NO3)2(s)  Pb2+(aq) + 2 NO3–(aq)

Le chlorure de sodium (NaCl), aussi appelé « sel de table », est utilisé pour rehausser le goût des aliments et il est le principal responsable de la salinité de l’eau de mer. Le sulfate de calcium (CaSO4) qui compose le gypse est un minerai qui entre dans la fabrication du plâtre. Le dinitrate de plomb [Pb(NO3)2] sert de matière première à la fabrication de pigments utilisés dans les peintures.

Figure 78 Des exemples de sels. Voir La salinité, p. 281.

Les dangers du dinitrate de plomb Le plomb est un métal lourd et toxique. Il est particulièrement dangereux pour les enfants en bas âge qui l’accumulent de façon importante dans leur organisme. C’est pourquoi l’utilisation de sels contenant du plomb, comme le dinitrate de plomb [Pb(NO3)2], pour la fabrication de peinture et de jouets, est étroitement réglementée. Malgré les réglementations qui limitent sa concentration à 75 ou 90 mg/kg selon les pays, il est très difficile pour les organisations de santé publique de contrôler la teneur en dinitrate de plomb de tous les jouets. Ainsi, beaucoup de jouets, manufacturés dans des pays n’ayant pas de lois ou de régle- Figure 79 Il y a plus de risque que les jeunes mentations limitant l’utilisation de ce type de sel, enfants soient intoxiqués par le dinitrate de plomb se retrouvent parfois sur le marché à la suite de [Pb(NO3)2], parce qu’ils portent les jouets à leur leur importation (voir la figure 79 ). bouche.

Section 2 Les propriétés des solutions

81

CONCEPT

2.6 L’échelle pH

ST

STE

SE

L’échelle pH est utilisée pour caractériser l’acidité ou la basicité d’une solution.

Acide chlorhydrique 0 Pile acide < 1,0 Acide gastrique 2,0 Jus de citron 2,4 Cola (boisson gazeuse) 2,5 Vinaigre 2,9 Jus d’orange ou de pomme 3,5 Bière 4,5 Café 5,0 Thé 5,5 Pluie acide < 5,6 Lait 6,5 Eau pure (neutre) 7,0 Sang 7,34 - 7,45 Eau de mer 8,0 Savon 9,0 - 10,0

Plus acide

Les acides sont un type d’électrolytes qui libèrent des ions H+ lors de leur dissolution. L’échelle pH (abréviation de « potentiel hydrogène ») est une indication de la concentration des ions H+ présents dans une solution. Les échelons de l’échelle pH présentent des valeurs allant de 0 à 14 selon le degré d’acidité d’une solution (voir la figure 80). Les solutions dont le pH est inférieur à 7 sont acides, celles dont le pH est égal à 7 sont neutres et celles dont le pH est supérieur à 7 sont basiques (ou alcalines). L’échelle pH est logarithmique, ce qui signifie que pour chaque augmentation ou diminution d’un point sur l’échelle, l’acidité (concentration en H+) ou la basicité (concentration en OH–) diminue ou augmente par un facteur de 10 (voir le tableau 7). Tableau 7 L’échelle pH Éventail d’acidité et de basicité

Concentration de H+ (en mol/L)

Notation exponentielle (en mol/L)

pH

1

1  100

0

0,1

1  10–1

1

0,01

1  10–2

2

0,001

1  10–3

3

0,000 1

1  10–4

4

0,000 01

1  10–5

5

0,000 001

1  10–6

6

0,000 000 1

1  10–7

7

Figure 80 Le potentiel hydrogène (pH)

0,000 000 01

1  10–8

8

s’exprime par des valeurs qui s’échelonnent de 0 à 14.

0,000 000 001

1  10–9

9

0,000 000 000 1

1  10–10

10

0,000 000 000 01

1  10–11

11

0,000 000 000 001

1  10–12

12

0,000 000 000 000 1

1  10–13

13

0,000 000 000 000 01

1  10–14

14

11,5 12,5 14,0

Plus basique

Ammoniaque Chaux Soude

Acide fort

Neutre*

Base forte

OUTIL

* La concentration en H+ et en OH– est égale à 1  10–7 mol/L.

11.8

La mesure du pH

82

Chapitre 1 Univers matériel

Ainsi, une solution de pH 3 est 10 fois plus acide qu’une solution de pH 4. Par exemple, le jus de citron a un pH de 2,4 et est environ 13 fois plus acide que le jus d’orange, qui a un pH de 3,5. Le vinaigre, qui a un pH de 2,9, est environ 120 fois plus acide que le café, qui a un pH de 5.

Pour faire le point

Les ions

ST

STE

SE

2. Quel ion les atomes suivants auront-ils tendance à former ? a) N b) I c) Ca d) K e) S 3. Quel est le nom du processus au cours duquel un atome se transforme en ion ? SE

Les courbes de solubilité de différentes substances dans l’eau

140 130 120

Nitrate de potassium (KNO3)

Solubilité (g/100 mL)

100

5. a) En quoi consiste la dissolution ? b) Qu’est-ce qu’une solution aqueuse ? c) Qu’est-ce qu’une solution liquide ? 6. a) Expliquez sommairement le processus de la dissolution moléculaire. b) Expliquez sommairement le processus de la dissolution ionique.

90 80 70

Nitrate de sodium (NaNO3)

60 50 40 30

Chlorure de sodium (NaCI)

20

7. a) Si on dissout 50 g de sucre dans 1 000 g d’eau, quelle sera la masse finale de la solution obtenue ? b) Si on dissout 80 mL d’alcool dans 200 mL d’eau, quel volume de solution pourrait-on obtenir ?

9. a) Qu’est-ce que la solubilité ? b) Si on peut dissoudre un maximum de 5 g de soluté en poudre dans 25 mL d’eau à 25 °C, quelle est la solubilité de cette substance exprimée en g/100 mL ?

Iodure de potassium (KI)

110

SE

(pages 62 à 67)

8. a) Pourquoi l’huile est-elle insoluble dans l’eau ? b) Qu’est-ce qu’une solution saturée ?

Les propriétés des solutions

10. a) Dans le diagramme ci-dessous, quel est le soluté dont la solubilité ne varie pratiquement pas avec la température ? b) En général, la solubilité des solides augmente avec la température. Selon ce diagramme, quel soluté fait exception à cette règle ? c) Quelle quantité de nitrate de sodium peut-on dissoudre à 10 °C ?

4. a) Qu’est-ce qu’un ion polyatomique ? b) Nommez les ions polyatomiques suivants. 1) PO43– 2) NO3– – 3) OH 4) NH4+ 2– 5) CO3

La dissolution et la solubilité

2

c) Étant donné que les substances solides sont généralement plus solubles dans un solvant chaud, qu’observerait-on dans la solution préparée en b) si on la faisait refroidir ?

(pages 60 et 61)

1. a) Qu’est-ce qu’un ion ? b) Comment se forme un ion négatif ? c) Donnez les synonymes d’ion positif et d’ion négatif.

STE

SECTION

10 0

Sulfate de cérium (CeSO4)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Température du solvant (°C)

La concentration et la dilution

ST

STE

SE

(pages 68 à 72) SE

11. a) Qu’est-ce que la concentration d’une solution? b) Quelle est l’équation générale employée pour exprimer la concentration ?

Section 2 Les propriétés des solutions

83

SE

ST STE SE

STE SE

STE SE

12. Exprimez la concentration des solutions suivantes en grammes par litre (g/L) puis classez-les en ordre croissant de concentration. a) 3,5 g/75 mL c) 35 g/450 mL b) 5,6 kg/2 000 L 13. a) Quelle est la concentration en parties par million (ppm) de 1 g de dioxyde de carbone contenu dans 1 000 g d’air ? b) La teneur en calcium d’une eau de source est de 35 ppm. Exprimez cette teneur en grammes par litre (g/L) et en milligrammes par litre (mg/L). 14. Calculez la concentration molaire des solutions formées par les proportions suivantes. a) 20 g d’hydroxyde de sodium (NaOH) dissous dans un volume total de 1 000 mL de solution b) 250 g de carbonate de calcium (CaCO3) dissous dans un volume total de 5 L de solution c) 30 g de sulfate de cuivre (CuSO4) dissous dans un volume total de 2 500 mL de solution

16. Quelles sont les deux façons d’effectuer une dilution au laboratoire ?

SE

17. On dilue 350 mL d’une solution de nitrate de potassium (KNO3) ayant une concentration de 36 g/L en y ajoutant 250 mL d’eau. Quelle est la concentration de la solution obtenue ? 18. Pour préparer une solution d’acide chlorhydrique, une technicienne de laboratoire utilise une solution de base à une concentration de 660 g/L d’acide chlorhydrique. Comment devra-t-elle s’y prendre pour obtenir 1 500 mL de solution d’une concentration de 36 g/L ?

La conductibilité électrique et les électrolytes ST

STE

SE

(pages 73 à 75)

19. a) Comment appelle-t-on les substances qui permettent au courant électrique de circuler lorsqu’elles sont dissoutes dans l’eau ? b) Quelle sorte de particules sont alors libérées ?

84

b)

c)

La dissociation électrolytique

Chapitre 1 Univers matériel

ST

STE

(pages 76 à 81) 21. Parmi les équations de dissolution suivantes, lesquelles représentent des dissociations électrolytiques ? Justifiez votre choix. a) CH3COOH(l)  CH3COO–(aq) + H+(aq)

b) C12H22O11(s)  C12H22O11(aq)

15. Combien de grammes de NaOH dissous y a-til dans un volume total de 100 mL de solution ayant une concentration en NaOH de 3 mol/L?

SE

SE

20. Lequel des béchers suivants contient des solutions d’électrolytes? a)

c) C2H5OH(l)  C2H5OH(aq) d) KNO3(s)  K+(aq) + NO3–(aq) STE

22. Qu’est-ce qui explique qu’un électrolyte est plus fort qu’un autre ?

23. Qu’ont en commun les acides, les bases et les sels ? 24. Indiquez si les substances suivantes appartiennent à la catégorie des acides, des bases ou des sels en observant leur formule chimique. a) CuSO4 b) HClO4 c) KOH d) HNO3 e) MgCl2 f) CsOH

L’échelle pH

ST

STE

SE

(page 82)

25. a) Une solution de pH 5,6 est-elle acide, basique ou neutre ? Justifiez votre réponse. b) Certains savons ont un pH de 10. Combien de fois l’eau distillée de pH 7 est-elle plus acide que le savon ?

SECTION

Les ions

ST

STE

2

Les propriétés des solutions

SE

Atomes qui portent une charge électrique positive ou négative. • Un ion positif est un cation ; un ion négatif est un anion. • Généralement, les métaux forment des ions positifs alors que les non-métaux forment des ions négatifs. • La famille chimique d’un élément permet de connaître la tendance d’un atome à perdre ou à gagner des électrons. STE

SE

• Les ions polyatomiques sont des groupes d’atomes fortement liés entre eux qui portent une charge électrique. Ils se comportent comme des ions formés d’un seul atome.

La dissolution et la solubilité

SE

• La dissolution est l’action de mélanger un ou plusieurs solutés à un solvant pour obtenir une solution ; c’est une transformation physique. • Il existe différents types de solutions que l’on peut classer selon la nature (gazeuse, liquide ou solide) des solutés et du solvant. Une solution dont le solvant est l’eau est une solution aqueuse. • La dissolution se produit quand les molécules de solutés sont attirées davantage par les molécules de solvant que par les molécules de soluté situées à proximité. – Une dissolution moléculaire se produit quand les molécules de soluté restent intactes et se répartissent uniformément entre les molécules de solvant. – Une dissolution ionique (ou dissociation électrolytique) se produit lorsque les ions se séparent et se répartissent uniformément entre les molécules de solvant. • Lors d’une dissolution : – La masse des substances avant et après la dissolution est conservée ; – Le volume total de la solution formée est légèrement inférieur à la somme de celui de ses constituants ; – Lorsque le solvant ne peut plus dissoudre de soluté, la solution est saturée. • La solubilité est la propriété qui désigne la quantité maximale de soluté qui peut être dissoute dans un volume donné de solvant, à une température donnée. Elle s’exprime en grammes de soluté par 100 mL (g/100 mL) de solvant. • La solubilité d’une substance varie en fonction de la température et, dans le cas d’un soluté gazeux, de la pression. – En général, la solubilité des solides dans l’eau augmente quand la température augmente. – La solubilité des gaz diminue quand la température de l’eau augmente. – Plus la pression exercée sur un gaz est forte, plus ce gaz est soluble dans le solvant. – Les substances solubles dans l’eau sont dites « hydrosolubles » et celles qui sont solubles dans les solvants gras comme les huiles, « liposolubles ».

Section 2 Les propriétés des solutions

85

La concentration et la dilution

ST

STE

SE

• La concentration d’une solution est le rapport entre la quantité de soluté dissous et la quantité totale de solution. On exprime la concentration par l’équation générale suivante :

Concentration 

Quantité de soluté Quantité de solution

• La concentration s’exprime à l’aide de différentes unités (g/mL, %, ppm et mol/L). SE

• La dilution est une transformation physique qui permet d’obtenir une solution finale d’une concentration inférieure à la solution de départ. L’équation qui permet de faire des calculs de dilution est : C1V1  C2V2

La conductibilité électrique et les électrolytes

ST

STE

SE

• La conductibilité électrique est une propriété physique qui correspond à la capacité d’une substance (solide, liquide ou gazeuse) de permettre le passage d’un courant électrique. • Les électrolytes sont des substances qui, lorsqu’elles sont dissoutes dans l’eau, permettent le passage d’un courant électrique en raison de la présence d’ions. • Plus la concentration en ions d’une solution est élevée, plus la conductibilité électrique est grande.

La dissociation électrolytique STE

STE

SE

ST

STE

• La dissociation électrolytique se produit lorsqu’un soluté se sépare en ions de charges opposées lors de sa dissolution dans un solvant.

• La force des électrolytes dépend du taux de dissolution des électrolytes. Un taux inférieur à 25 % indique un électrolyte faible.

• Les acides, les bases et les sels, lorsqu’ils sont dissous dans l’eau, sont des électrolytes. Les acides libèrent des ions H+ ; les bases libèrent des ions OH–. Les acides forts et les bases fortes forment des électrolytes forts. Les sels sont formés d’un métal lié à un non-métal. Leur solubilité détermine la force de l’électrolyte.

L’échelle pH

ST

STE

SE

L’échelle pH est utilisée pour caractériser l’acidité ou la basicité d’une solution. Elle est graduée de 0 à 14. Les solutions dont le pH est inférieur à 7 sont acides, celles dont le pH est égal à 7 sont neutres et celles dont le pH est supérieur à 7 sont basiques (ou alcalines).

86

Chapitre 1 Univers matériel

SECTION

3.1

La loi de la conservation de la masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 ST

3.2

STE

SE

Le balancement d’équations chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 ST

3.3 3.4 3.5

3

STE

SE

La stœchiométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 STE

SE

Les règles de nomenclature et d’écriture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 STE

3.6 3.7

SE

La neutralisation acidobasique . . 102 ST

STE

SE

La synthèse, la décomposition et la précipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 SE

3.8

Les réactions endothermiques et exothermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 STE

SE

La nature de la liaison . . . . . . . . . . . . . 96 STE

Les transformations chimiques

3.9 3.10

SE

L’oxydation et la combustion . . . . . 109 ST

STE

ATS

La photosynthèse et la respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 ST

STE

SE

87

L

es éléments et les composés qui sont présents dans l’environnement subissent différentes transformations que l’on classe en deux catégories : les transformations physiques et les transformations chimiques.

Les transformations physiques changent l’aspect physique d’une substance sans modifier sa composition chimique. Par exemple, le changement de phase d’un composé comme celui de l’eau (liquide) en glace (solide) est une transformation physique : l’eau et la glace ont la même composition (H2O), mais présentent un aspect physique différent. Les transformations chimiques, quant à elles, modifient la composition chimique des substances. Ce type de transformation est aussi appelé « réaction chimique ». Lors d’une transformation chimique, de nouvelles substances sont produites et de l’énergie est absorbée ou dégagée. La formation de rouille, la combustion du bois ou de l’essence, la photosynthèse, la décomposition de la matière organique en matière inorganique, les réactions entre des acides et des bases sont des exemples de transformations chimiques (voir la figure 81). Figure 81 Au contact du dioxygène (O2), le fer (Fe) rouille et il se forme une couche de trioxyde de difer (Fe2O3).

Une transformation chimique se produit lorsque des éléments ou des composés interagissent ensemble. Les substances en présence avant que la transformation ne se produise (substances de départ) sont appelées « réactifs » et les substances obtenues à la suite de la transformation chimique sont appelées « produits ». En chimie, on représente les réactions chimiques par différentes formes d’équations en utilisant les symboles et les formules chimiques des éléments ou des composés (voir la figure 82). Équation chimique

(s) : (l) : (g) : (aq) :

solide liquide gazeux en solution aqueuse (le solvant est de l’eau)

Réactifs

4 Fe (s) Coefficient

Symbole chimique



Produit

3 O2 (g)



Indice du nombre d’atomes

« se transforment en »

2 Fe2O3 (s) Formule chimique

État

Figure 82 Les symboles utilisés dans les équations chimiques.

Dans cette section, vous approfondirez votre compréhension des différentes transformations chimiques. Vous découvrirez que ces transformations peuvent être représentées par des équations chimiques particulières, utiles pour prévoir et mesurer les masses de réactifs et de produits.

88

Chapitre 1 Univers matériel

CONCEPT

3.1 La loi de la conservation de la masse ST

STE

SE

Selon la loi de la conservation de la masse, dans une transformation chimique, la masse totale des réactifs est toujours égale à la masse totale des produits. « Rien ne se perd, rien ne se crée. Tout se transforme. » Cette célèbre citation, attribuée à Antoine Lavoisier (1743-1794), résume la loi de la conservation de la masse. L’utilisation judicieuse de la balance par Lavoisier lui permet de démontrer le principe de la conservation de la matière lors des réactions chimiques, c’est-à-dire que la masse totale des réactifs est égale à la masse totale des produits. Lavoisier est le premier à conclure que ce principe vaut pour tous les types de transformations (réactions) chimiques.

Voir L’oxydation et la combustion, p. 109.

Par exemple, lors d’un incendie de forêt, la combustion des arbres et d’autres matières organiques laisse penser qu’une grande quantité de matière, et donc de masse, disparaît. Toutefois, si on observe minutieusement ce phénomène en laboratoire, on constate que la somme des masses du bois et de l’oxygène (réactifs) présents avant la combustion est égale à la somme des masses des gaz libérés et des cendres (produits) générés lors de cette transformation chimique. On peut donc constater la loi de la conservation de la masse en mesurant la masse des réactifs et celle des produits d’une transformation chimique (voir la figure 83).

REPÈRE

ANTOINE LAURENT DE LAVOISIER Chimiste français (1743-1794)

Figure 83 Lors de toute transformation chimique, la masse des réactifs (photo de gauche) est égale à celle des produits (photo de droite).

En chimie, on ne connaît jusqu’à maintenant aucune exception au principe de la conservation de la masse. Comme il s’agit d’un principe scientifique qui s’applique à de nombreux domaines et qui semble ne présenter aucune exception, il a reçu le statut spécial de « loi ». La loi de la conservation de la masse énoncée par Lavoisier ne s’applique pas seulement à la masse des réactifs et des produits, mais aussi au nombre total d’atomes présents avant et après une réaction. En effet, lors des transformations chimiques, les atomes contenus dans les éléments et dans les composés des réactifs se réarrangent pour former ceux des produits. Puisque les atomes des réactifs sont tous conservés, les produits sont formés uniquement par les atomes provenant des réactifs. La loi de la conservation de la masse pourrait donc aussi s’appeler la « loi de la conservation des atomes ».

Antoine Lavoisier, l’un des plus brillants scientifiques du 18e siècle, est considéré comme le père de la chimie moderne. En 1775, il fonde un laboratoire qui devient l’un des centres scientifiques les plus réputés d’Europe. L’application de méthodes de recherche rigoureuses et l’utilisation systématique de la balance permettent à Lavoisier d’établir la loi de la conservation de la masse et des éléments. Ses travaux l’amènent également à découvrir le rôle de l’oxygène dans la combustion et dans la respiration, à décrire la composition de l’eau et du gaz carbonique, à explorer la théorie des acides et à développer une nouvelle nomenclature fondée sur les éléments chimiques.

Section 3 Les transformations chimiques

89

La combustion de l’acétylène (C2H2), un hydrocarbure utilisé dans les chalumeaux de certains ouvriers de la construction, peut servir à illustrer la loi de la conservation de la masse (voir la figure 84). Molécules des réactifs

Molécules des produits

2 C2H2 (g)  5 O2 (g)  : carbone (C)

4 CO2 (g) 



: oxygène (O)

2 H2O (g)



: hydrogène (H)

Nombre d’atomes Masse

4 4 52 g

Masse totale

10



4 8

 160 g



176 g

212 g



4 2 

36 g

212 g

Figure 84 Lors de la combustion de l’acétylène (C2H2), le nombre d’atomes de chaque élément ne change pas et la masse est conservée. Par contre, à la suite d’un réagencement des atomes, de nouveaux composés sont produits.

La loi de la conservation de la masse permet de déduire la masse d’un réactif ou d’un produit dans une équation chimique. L’exemple suivant présente une façon d’utiliser la loi de la conservation de la masse. Exemple L’octane (C8H18) est l’hydrocarbure qui est le principal constituant de l’essence utilisée dans les moteurs des automobiles conventionnelles. Sa combustion produit la réaction suivante : Octane  dioxygène  Dioxyde de carbone  vapeur d’eau 2 C8H18 (g)  25 O2 (g)  16 CO2 (g)  18 H2O (g) Combien de grammes de dioxyde de carbone (CO2) sont produits lorsque 1 140 g d’octane sont brûlés en présence de 4 000 g de dioxygène et qu’on mesure 1 620 g de vapeur d’eau produits ?

Données : Masse de C8H18 (g) Masse de O2 (g) Masse de H2O (g) Masse de CO2 (g)

 1 140 g  4 000 g  1 620 g ?

Calcul : 2 C8H18 (g)  25 O2 (g) 1 140 g  4 000 g 1 140 g  4 000 g  1 620 g 3 520 g

 16 CO2 (g)  18 H2O (g)  Masse de CO2 (g)  1 620 g  Masse de CO2 (g)  Masse de CO2 (g)

La combustion de 1 140 g d’octane produit donc 3 520 g de dioxyde de carbone (CO2).

90

Chapitre 1 Univers matériel

CONCEPT

3.2 Le balancement d’équations chimiques ST STE SE

Le balancement d’équations chimiques consiste à ajouter des coefficients devant la formule chimique des réactifs et des produits afin de respecter la loi de la conservation de la masse. La loi de la conservation de la masse stipule que, pour toutes les transformations chimiques, la masse totale des réactifs est égale à la masse totale des produits. Comme les réactifs et les produits sont composés d’atomes, le nombre d’atomes doit aussi demeurer le même avant et après la transformation chimique.

Voir La loi de la conservation de la masse, p. 89.

Une équation squelette est une équation chimique qui présente les réactifs et les produits d’une transformation sans tenir compte de la loi de la conservation de la masse. Par exemple, l’équation de la combustion de l’octane (C8H18) est représentée par l’équation squelette suivante (voir la figure 85) :

C8H18 (g)  O2 (g)  CO2 (g)  H2O (g) Figure 85 L’équation squelette de la combustion de l’octane (C8H18).

Dans cette équation squelette, il y a dix-huit atomes d’hydrogène (H) dans les réactifs, mais seulement deux dans les produits. Pour satisfaire à la loi de la conservation de la masse, il faut balancer l’équation squelette afin d’équilibrer le nombre d’atomes des réactifs et des produits. L’équation balancée présente alors des coefficients, des nombres placés devant chaque formule chimique d’élément ou de composé des réactifs ou des produits (voir la figure 86). Coefficients

2 C8H18 (g)  25 O2 (g)  16 CO2 (g)  18 H2O (g) Figure 86 L’équation balancée de la combustion de l’octane (C8H18).

Ces coefficients indiquent le nombre de molécules en jeu avant et après la transformation chimique. Une fois qu’une équation chimique est balancée, la conservation des atomes et de la masse est respectée. Ce processus s’appelle le « balancement d’équations chimiques ». Certaines équations squelettes simples sont déjà des équations balancées. C’est le cas de la réaction entre le carbone (C) et le dioxygène (O2) qui produit du dioxyde de carbone (CO2) (voir la figure 87).

 C 1 atome de carbone



O2 2 atomes d’oxygène

CO2 1 atome de carbone 2 atomes d’oxygène

Figure 87 Cette équation squelette est déjà équilibrée, car le nombre d’atomes de chaque élément et composé est le même du côté des réactifs et des produits. Section 3 Les transformations chimiques

91

Cependant, la plupart des équations squelettes ne sont pas balancées. Pour balancer une réaction chimique, il faut respecter les règles suivantes : • Seuls les coefficients peuvent être ajoutés ; les indices dans les formules chimiques des composés ne doivent pas changer. • On n’inscrit pas le coefficient « 1 » ; il est sous-entendu. • Une fois l’équation balancée, les coefficients utilisés doivent être des entiers naturels réduits à la plus petite valeur possible. • Une fois l’équation balancée, le nombre d’atomes de chaque élément doit être semblable dans les réactifs et dans les produits. Une méthode simple à suivre pour balancer les équations chimiques consiste à commencer avec le réactif ou le produit le plus complexe, c’est-à-dire le composé qui renferme le plus d’atomes ou le plus d’atomes différents, et à terminer avec le réactif ou le produit le plus simple (souvent du dioxygène [O2]). L’exemple suivant démontre le balancement d’une équation squelette qui présente les réactifs et les produits en jeu dans la combustion du méthane (CH4). Exemple CH4

RÉACTIFS 

O2

CO2



Nombre d’atomes des réactifs : C : 1 atome H : 4 atomes O : 2 atomes

PRODUITS 

Nombre d’atomes des produits : C : 1 atome H : 2 atomes O : 3 atomes

Commencer avec le réactif ou le produit le plus complexe : On souligne le méthane (CH4). CH4  O2  CO2



H2O

Terminer avec le réactif ou le produit le plus simple : On encercle le dioxygène (O2). CH4  O2 



H2O

Balancer l’équation : CH4 C : 1 atome



CO2

2

H : 4 atomes

H2O

2 O2

1

H : 4 atomes

C : 1 atome



CO2

 3

O : 2  2 atomes  4 atomes

O : 2 atomes

2 H2O O : 2  1 atome = 2 atomes

1. On vérifie d’abord le carbone du méthane (CH4) et du dioxyde de carbone (CO2). Comme il y a un atome de carbone de chaque côté de l’équation, on conclut que le carbone est balancé. 2. On place un coefficient « 2 » devant H2O pour équilibrer les 4 atomes d’hydrogène (H) du méthane. 3. Ce coefficient « 2 » placé devant H2O porte le total des atomes d’oxygène à 4 dans les produits (2 dans CO2 et 2 dans H 2O). On balance en ajoutant un coefficient « 2 » devant le dioxygène (O2), le réactif le plus simple. L’équation est alors balancée.

92

Chapitre 1 Univers matériel

CONCEPT

3.3 La stœchiométrie

STE

SE

La stœchiométrie est l’étude des rapports entre les quantités de matière (réactifs et produits) qui participent à une transformation chimique. Lors du balancement d’équations chimiques, il est préférable d’utiliser des coefficients réduits à leur plus petite valeur possible. Dans le cas de la synthèse de l’eau, par exemple, l’équation balancée est la suivante :

Voir Le balancement d’équations chimiques, p. 91.

2 H2  O2  2 H2O Cependant, l’équation de la synthèse de l’eau peut s’écrire de plusieurs manières tout en étant chaque fois balancée (voir la figure 88). Dans tous les cas, les coefficients fournissent la même information : les proportions entre les molécules impliquées dans la synthèse de l’eau sont respectées dans tous ces exemples.

2 H2 

Les proportions dans les équations chimiques peuvent être multipliées ou divisées par n’importe quel nombre. Tant que les proportions exactes sont maintenues, la loi de la conservation de la masse est respectée. La stœchiométrie permet, à partir des coefficients d’équations balancées, de déduire les quantités de réactifs nécessaires ou de produits attendus lors d’une transformation chimique. Les coefficients présents dans les équations chimiques balancées peuvent être utilisés pour déterminer les quantités de réactifs et de produits en respectant leur proportion dans la réaction chimique. Ces proportions restent semblables, qu’on considère la réaction à l’échelle des molécules, des douzaines de molécules, des centaines ou encore des moles de molécules (voir le tableau 8).

Proportions

O2

2 H2O

4 H2  2 O2

4 H2O

6 H2  3 O2

6 H2O

2

1

2

Figure 88 Dans ces trois équations balancées, les coefficients ne sont pas les mêmes, mais les proportions entre les coefficients sont conservées.

Tableau 8 Les proportions des molécules dans une équation équilibrée représentant la synthèse de l’eau 2 H2



O2



2 H2O

2 molécules

1 molécule

2 molécules

2 douzaines de molécules

1 douzaine de molécules

2 douzaines de molécules

2 centaines de molécules

1 centaine de molécules

2 centaines de molécules

2 moles de molécules

1 mole de molécules

2 moles de molécules

Voir La notion de mole et le nombre d’Avogadro, p. 53.

Section 3 Les transformations chimiques

93

On appelle rapports molaires les proportions entre les moles des réactifs et des produits dans une équation chimique balancée. Ainsi, l’équation chimique de la synthèse de l’eau peut se lire de la façon suivante : deux moles de dihydrogène (H2) réagissent avec une mole de dioxygène (O2) pour former deux moles d’eau (H2O).

Voir Le tableau périodique détaillé à la fin du présent manuel.

Il est important de noter que les coefficients des équations balancées ne désignent jamais des masses. Cependant, il est possible de convertir les moles de substances en grammes en se référant au tableau périodique qui indique la masse molaire moyenne des éléments. Par exemple, à partir des coefficients de l’équation balancée de la synthèse de l’eau, on peut convertir les rapports molaires en masses.

2 H2

O2



2 H2O



2 mol  MH

1 mol  MO

2 mol  MH O

2 mol  (1,01 + 1,01) g mol 2 mol  2,02 g/mol 4,04 g

1 mol  (16,00  16,00) g mol 1 mol  32,00 g/mol 32,00 g

2 mol  (1,01  1,01  16,00) g mol 2 mol  18,02 g/mol 36,04 g

2

2

2

Les calculs stœchiométriques permettent de déterminer la quantité nécessaire d’un réactif dans une réaction ou de prévoir la quantité de produit obtenu à la suite d’une réaction. Les trois exemples suivants proposent une démarche pour effectuer des calculs stœchiométriques, que ce soit pour calculer le nombre de moles ou la masse d’un réactif ou d’un produit. Exemple A Les calculs mole/mole pour les réactifs ou les produits La combustion de l’éthane gazeux est représentée par l’équation squelette suivante : C2H6  O2  CO2  H2O Combien faut-il de moles de dioxygène (O2) pour réaliser la combustion de 16 mol d’éthane gazeux (C2H6) ?

Données : Nombre de moles de C2H6  16 mol Nombre de moles de O2  ?

Balancement de l’équation chimique : Équation squelette : C2H6  O2  CO2  H2O Équation balancée : 2 C2H6  7 O2  4 CO2  6 H2O

Rapports molaires entre les réactifs et les produits et report des données : 2 C2H6  7 O2  4 CO2  6 H2O 2 moles 7 moles 4 moles 6 moles 16 moles ? moles Calcul : 7 mol de O2 ? mol de O2  16 mol de C2H6 2 mol de C2H6 ? mol de O2 

7 mol de O2  16 mol de C2H6 2 mol de C2H6

? mol de O2  56 mol de O2

Réponse : Il faut 56 mol de dioxygène (O2) pour réaliser la combustion de 16 mol d’éthane gazeux (C2H6).

94

Chapitre 1 Univers matériel

Exemple B Les calculs masse/masse pour les réactifs Dans la station spatiale orbitale, la respiration des astronautes produit du dioxyde de carbone (CO2). Pour que le niveau de CO2 reste peu élevé dans la cabine et que les astronautes ne soient pas intoxiqués, l’air passe par des filtres renfermant des granules d’hydroxyde de lithium (LiOH). Le LiOH réagit avec le CO2 pour former du carbonate de lithium (Li2CO3) et de l’eau (H2O). Quelle masse de LiOH par personne par jour est nécessaire pour maintenir la qualité de l’air dans la cabine si on sait que chaque astronaute expire en moyenne 1 056 g de CO2 quotidiennement ?

Données : Masse de CO2  1 056 g Masse de LiOH  ?

Balancement de l’équation chimique : Équation squelette : LiOH  CO2  Li2CO3  H2O Équation balancée : 2 LiOH  CO2  Li2CO3  H2O

Rapports molaires entre les réactifs et les produits et conversion à l’aide de la masse molaire : 2 LiOH  CO2  Li2CO3  H2O 2 mol 1 mol 2 mol  MLiOH 1 mol  MCO2 2 mol  23,9 g 1 mol  44,0 g mol mol 47,8 g 44,0 g

Calcul de la masse de LiOH nécessaire : ? g de LiOH 47,8 g de LiOH  1056 g de CO2 44 g de CO2 ? g de LiOH 

47,8 g de LiOH  1 056 g de CO2 44 g de CO2

Figure 89 Des astronautes dans la station spatiale orbitale.

? g de LiOH  1 147,2 g de LiOH

Réponse : Il faut 1 147,2 g de LiOH par personne par jour pour maintenir la qualité de l’air dans la cabine.

Exemple C Les calculs masse/masse pour les produits Pour propulser un module lunaire dans l’espace, les ingénieurs utilisent une réaction de combustion avec de l’hydrazine (N2H4) et du tétraoxyde de diazote (N2O4). Ces deux réactifs forment du diazote (N2) et de la vapeur d’eau (H2O). Si 256,0 g de N2H4 réagissent avec une quantité suffisante de N2O4, quelle masse de diazote sera produite ?

Données : Masse de N2H4  256 g Masse de N2  ?

Balancement de l’équation chimique : Équation squelette : N2H4  N2O4  N2  H2O Équation balancée : 2 N2H4  N2O4  3 N2  4 H2O

Rapports molaires entre les réactifs et les produits et conversion à l’aide de la masse molaire : 2 N2H4  N2O4  3 N2  4 H2O 2 mol  MN H 3 mol  MN 2 mol  32,06 g/mol 3 mol  28,02 g/mol 64,12 g 84,06 g 2

4

2

Calcul de la masse de N2 produite : ? g de N2 84,06 g de N2  256 g de N2H4 64,12 g de N2H4 84,06 g de N2  256 g de N2H4 64,12 g de N2H4 ?  335,61 g de N2 ? g de N2 

Réponse : Les 256 g d’hydrazine (N2H4) produisent 335,61 g de diazote (N2). Section 3 Les transformations chimiques

95

CONCEPT

3.4 La nature de la liaison

STE

SE

Une liaison chimique correspond au transfert ou au partage d’électrons entre deux atomes, ce qui produit la formation d’un composé. Voir La notation de Lewis, p. 35.

Tous les atomes tendent vers la stabilité ; un atome est stable lorsque sa couche périphérique est complètement remplie par les électrons de valence. Pour avoir une couche électronique périphérique remplie, certains atomes ont tendance à gagner des électrons alors que d’autres ont tendance à en céder. Les électrons de valence des atomes impliqués lors de la formation d’un composé subissent simultanément l’influence des noyaux de ces atomes. Il y a formation d’une liaison chimique lorsque la tendance respective de chaque atome est satisfaite. La force avec laquelle un électron de valence est retenu par le noyau atomique d’un élément se nomme « électronégativité ». Ainsi, l’électronégativité d’un élément représente sa capacité d’attirer les électrons lors d’une liaison chimique. Plus le rayon atomique de l’élément est petit, plus son électronégativité est grande.

Voir La périodicité des propriétés, p. 49. Voir Le tableau périodique détaillé à la fin du présent manuel.

Les éléments dont la dernière couche électronique est presque remplie ont tendance à attirer un ou deux électrons pour compléter leur dernière couche électronique. Les éléments situés en haut et à droite du tableau périodique (non-métaux) sont les plus électronégatifs et attirent donc les électrons (voir la figure 90), alors que les éléments situés en bas à gauche (métaux) sont les moins électronégatifs ; ils cèdent des électrons.

Accroissement de l’électronégativité

Accroissement de l’électronégativité

Figure 90 Les atomes des éléments situés en haut et à droite du tableau périodique ont une forte électronégativité : ils attirent fortement les électrons.

La différence d’électronégativité entre les éléments qui participent à une transformation chimique détermine la nature de la liaison chimique. Deux types de liaisons sont possibles : la liaison ionique et la liaison covalente.

3.4.1

La liaison ionique

STE

SE

Une liaison ionique se produit lorsqu’il y a un transfert d’électrons d’un atome à un autre. Après ce transfert, la couche électronique périphérique des deux atomes est complète. Ce type de liaison se produit lorsqu’un des atomes possède une électronégativité beaucoup plus grande que l’autre atome.

96

Chapitre 1 Univers matériel

La liaison ionique se produit généralement entre un métal et un non-métal. La réaction entre le sodium (Na) et le chlore (Cl) pour former du chlorure de sodium est un bon exemple d’une liaison ionique. Un atome de sodium a un seul électron de valence tandis que l’atome de chlore en possède sept. Lorsque ces deux éléments entrent en contact, l’atome de sodium, peu électronégatif, cède un électron à l’atome de chlore, très électronégatif. Les deux atomes deviennent stables, c’est-à-dire que leurs couches électroniques périphériques sont remplies (voir la figure 91).

Atomes neutres

Perte

Gain

Perte et gain d’électrons

La liaison ionique entraîne la formation d’ions. Par exemple, la liaison entre le sodium et le chlore produit deux ions, l’ion Na+ et l’ion Cl–, qui s’attirent mutuellement. Ions résultants

La notation de Lewis permet de représenter la liaison ionique. Dans le cas du chlorure de sodium (NaCl), un seul électron peut être transféré (voir la figure 92 a). Dans le cas de l’oxyde de magnésium (MgO), deux électrons sont transférés et forment deux liaisons ioniques (voir la figure 92 b). Enfin, dans le cas du difluorure de calcium (CaF2), le transfert de deux électrons se fait entre trois ions qui forment deux liaisons ioniques (voir la figure 92 c). Le produit formé par une liaison ionique se nomme composé ionique.

Na

Cl

Na

Na Nombre de protons

Cl

 Nombre d’électrons

Cation (ion positif)

Nombre de protons

 Nombre d’électrons

Anion (ion négatif)

Figure 91 Lors de la formation des ions Na et Cl, le transfert d’électrons s’effectue du sodium vers le chlore. Les ions de charges contraires s’attirent et forment une liaison ionique.



Cl

Voir Les ions, p. 60.



a) Une liaison simple entre deux ions.

Mg

O

Mg

2

O

2

b) Deux liaisons ioniques entre deux ions.

F

F Ca

Ca



2

F

F



c) Deux liaisons ioniques entre trois ions.

Figure 92 La formation de liaisons ioniques représentées par la notation de Lewis.

Section 3 Les transformations chimiques

97

3.4.2

La liaison covalente

STE

SE

Une liaison covalente se produit lorsqu’il y a partage d’électrons entre deux atomes. Généralement, ce type de liaison se réalise lorsque la différence d’électronégativité entre les deux éléments est petite. En effet, lorsque deux atomes possédant une électronégativité comparable entrent en contact, il ne peut pas y avoir de transfert d’électrons : les électrons de valence ne sont pas plus attirés par un atome que par un autre, la force qui s’exerce sur les électrons étant semblable de part et d’autre. Au lieu d’être transférés d’un atome à un autre, les électrons sont partagés par les atomes. Chaque atome fournit un électron et les deux atomes se partagent la paire d’électrons ainsi formée, aussi appelée « doublet d’électrons ». Chaque doublet d’électrons forme une liaison covalente. Figure 93 Chaque atome de chlore fournit un électron pour former un doublet d’électrons partagés entre les deux atomes.

Figure 94 Chaque atome d’oxygène fournit deux électrons pour former deux doublets d’électrons partagés avec l’atome de carbone. L’atome de carbone fournit quatre électrons, deux pour chaque atome d’oxygène.

Figure 95 Chaque atome d’azote fournit trois électrons pour former trois doublets d’électrons partagés entre les deux atomes.

La liaison covalente se forme entre deux non-métaux, entre deux atomes d’un même élément ou lorsqu’un non-métal réagit avec l’hydrogène. Par exemple, le dichlore (Cl2), le diazote (N2) et le dioxyde de carbone (CO2) sont des composés dans lesquels les atomes sont unis par des liaisons covalentes. Une molécule de dichlore (Cl2) est ainsi constituée de deux atomes de chlore réunis par une liaison covalente (voir la figure 93). Comme le chlore a sept électrons de valence, il a besoin d’un électron supplémentaire pour remplir sa couche électronique périphérique. Lorsqu’il entre en contact avec un autre atome de chlore, chaque atome fournit un électron pour former un doublet d’électrons à partager. Ainsi, chaque atome a huit électrons sur sa couche électronique périphérique. Dans certains composés covalents, les atomes partagent plus de deux électrons. Par exemple, une molécule de dioxyde de carbone (CO2) est constituée de deux atomes d’oxygène réunis, par des liaisons covalentes, à un atome de carbone (voir la figure 94). Chaque atome d’oxygène forme deux liaisons covalentes avec l’atome de carbone en partageant avec lui deux doublets d’électrons. On parle dans ce cas de liaison covalente double. Il y a parfois des liaisons covalentes triples entre des atomes : c’est le cas de la molécule de diazote (N2). L’azote a cinq électrons de valence et a besoin de trois électrons pour compléter sa couche périphérique. Lorsque deux atomes d’azote se rencontrent, ils mettent chacun trois électrons en commun pour former trois doublets d’électrons partagés (voir la figure 95). Les deux atomes se retrouvent chacun avec une couche périphérique remplie et sont unis par une liaison covalente triple. La notation de Lewis permet de représenter les liaisons covalentes. Les doublets d’électrons sont parfois encerclés pour permettre de mieux les distinguer (voir la figure 96).

H Cl

Cl

H

C

H

H

O

H

H a) La molécule de dichlore (Cl2) possède une liaison covalente simple.

b) La molécule de méthane (CH4) possède quatre liaisons covalentes simples.

c) La molécule d’eau (H2O) possède deux liaisons covalentes simples.

Figure 96 La notation de Lewis permet de représenter les liaisons covalentes en mettant en évidence les doublets d’électrons partagés.

98

Chapitre 1 Univers matériel

CONCEPT

3.5 Les règles de nomenclature et d’écriture STE SE

Les règles de nomenclature permettent de nommer les composés chimiques et de les distinguer entre eux. Les règles d’écriture permettent d’écrire les formules des composés chimiques selon des conventions établies. Les chimistes ont mis au point des règles de nomenclature et d’écriture qui permettent de nommer et de représenter par des symboles les composés chimiques usuels.

3.5.1

Les règles de nomenclature

STE

SE

Pour nommer un composé à partir de sa formule chimique, on utilise la démarche suivante : • Nommer en premier lieu l’élément qui est à droite dans la formule chimique, en ajoutant le suffixe « ure » au radical du nom de l’élément d’origine. Par exemple, le nom de l’élément chlore (Cl) est formé ainsi : Chlore  chlorure Quelques suffixes d’éléments disposés à droite d’une formule chimique sont formés de façon particulière. Par exemple, l’hydrogène (H) ne devient pas « hydrogénure », mais plutôt « hydrure » (voir le tableau 9).

Tableau 9 La formation particulière de quelques suffixes

Nom de l’élément Soufre

Sulfure

Azote

Nitrure

Hydrogène

Hydrure

Oxygène

Oxyde

Carbone

Carbure

• Nommer ensuite l’élément qui est à gauche dans la formule chimique en le précédant de la préposition « de ». Par exemple, le composé NaCl porte le nom de « chlorure de sodium » (voir la figure 97). • Ajouter le préfixe approprié selon que le composé est formé d’un ou de plusieurs atomes d’un même élément. Par exemple, le composé CO2 est désigné par « dioxyde de carbone » tandis que le N2O 3 se nomme « trioxyde de diazote » (voir les tableaux 10 et 11). Tableau 10 Des exemples de nomenclatures de composés Formule chimique

Préfixe

Quantité

CO

Oxyde de carbone

Mono

1

CO2

Dioxyde de carbone

Di

2

CCl4

Tétrachlorure de carbone

Tri

3

PCl3

Trichlorure de phosphore

Tétra

4

N2O3

Trioxyde de diazote

Penta

5

OF2

Difluorure d’oxygène

Hexa

6

CS2

Disulfure de carbone

Hepta

7

BaF2

Difluorure de baryum

Octa

8

KI

Iodure de potassium

Ennéa

9

Tétrachlorure de carbone

Déca

10

CCl4

NaCl Na

Cl

Élément à gauche

Élément à droite

Chlorure de sodium

Tableau 11 Une liste des préfixes

Nom du composé

Nom de l’ion négatif

Figure 97 La position des éléments dans une formule chimique est inversée lors de la nomenclature d’un composé.

Section 3 Les transformations chimiques

99

Voir Les ions, p. 61.

Dans le cas où un composé contient un ion polyatomique, il faut suivre les règles de nomenclature en utilisant le nom de l’ion polyatomique sans la terminaison « ure » (voir le tableau 12). Par exemple, le composé KNO3 se nomme « nitrate de potassium ». Tableau 12 La nomenclature des ions polyatomiques

Tableau 13 La nomenclature de quelques composés usuels

Nom du composé

Formule chimique (et phase)

Ammoniac

NH3 (g)

Eau

H2O (l)

Éthanol

C2H5OH (l)

Glucose

C6H12O6 (s)

Méthane

CH4 (g)

Méthanol

CH3OH (l)

Octane

C8H18 (l)

Peroxyde d’hydrogène

H2O2 (l)

Propane

C3H8 (g)

Sucre

C12H22O11 (s)

Sulfure d’hydrogène

H2S (g)

Formule chimique

Cation

Anion

KNO3

K

NO3

Nitrate de potassium

NH4Cl

NH4

Cl

Chlorure d’ammonium

Na2CO3

Na

Mg(OH)2

Mg

CO3

2

OH

Nomenclature du composé ionique

Carbonate de disodium Dihydroxyde de magnésium

Plusieurs composés courants ont un nom commun qu’on utilise par convention. Par exemple, la molécule H2O est nommée « eau » et non pas « oxyde de dihydrogène » (voir le tableau 13). Les exemples A et B montrent comment nommer un composé à partir des règles de nomenclature lorsqu’on connaît sa formule chimique.

Exemple A

Exemple B

Nommer le composé N2O4.

Nommer le composé LiOH.

Noms des éléments : O (oxygène) placé à droite et avec l’indice « 4 » se nomme « tétraoxyde », soit « tétra  oxyde » ; N (azote) placé à gauche et avec l’indice « 2 » se nomme « diazote ».

Noms des éléments : OH (ion polyatomique [OH]) placé à droite se nomme « hydroxyde » ; Li (lithium) placé à gauche se nomme « lithium » ; il n’y a pas d’indice.

Nom du composé : Le composé N2O4 porte le nom de tétraoxyde de diazote.

Nom du composé : Le composé LiOH porte le nom d’hydroxyde de lithium.

3.5.2

Les règles d’écriture

STE

SE

De façon générale, l’écriture de la formule chimique des composés se fait à partir de leur nom, lorsqu’on le connaît. Par exemple, le difluorure de soufre s’écrit « SF2 » : l’indice « 2 » fait référence au préfixe « di ». Le symbole de l’élément nommé en second lieu (soufre) s’écrit à gauche dans la formule, tandis que le symbole de l’élément dont le nom se termine en « ure » (fluorure) s’écrit à droite dans la formule (voir la figure 98).

100

Chapitre 1 Univers matériel

Difluorure de soufre

S Élément à gauche

F2

Élément à droite

SF2 Figure 98 La position des éléments nommés est inversée lorsqu’on écrit leur formule chimique.

Les exemples suivants montrent comment écrire la formule d’un composé à partir des règles d’écriture lorsqu’on connaît son nom. Exemple C

Exemple D

Écrire la formule chimique du dioxyde d’azote.

Écrire la formule chimique du tétrachlorure de carbone.

Symboles des éléments : L’azote placé à droite dans le nom correspond au symbole N ; le dioxyde, à gauche dans le nom, correspond au symbole O suivi de l’indice « 2 » : O2.

Symboles des éléments : Le carbone placé à droite dans le nom correspond au symbole C ; le tétrachlorure, plus à gauche dans le nom, correspond au symbole Cl suivi de l’indice « 4 » : Cl4.

Formule chimique du composé : La formule chimique du dioxyde d’azote est NO2.

Formule chimique du composé : La formule chimique du tétrachlorure de carbone est CCl4.

Lors d’une liaison ou d’une transformation chimique, on doit parfois écrire la formule d’un produit sans connaître d’avance le nom du composé. Dans ces cas, le premier élément de la formule chimique du composé est généralement celui qui est le plus à gauche dans le tableau périodique. Par exemple, lors de la formation d’un composé mettant en jeu les éléments fluor (F) et calcium (Ca), c’est l’élément calcium (Ca), de la famille IIA, qui est le plus à gauche dans le tableau. On en déduit que la formule du composé débute par Ca, suivi de F.

Voir La nature des liaisons, p. 96.

Voir Le tableau périodique détaillé à la fin du présent manuel.

Cependant, cette information ne suffit pas pour écrire correctement la formule du composé : il faut également vérifier les proportions des atomes de calcium et de fluor dans la liaison. Comme les atomes de calcium (Ca) ont tendance à céder deux électrons pour ressembler au gaz inerte le plus près et que chaque atome de fluor (F) doit capter un électron pour faire de même, le composé sera formé de deux atomes de fluor qui capteront chacun un électron provenant de 2 l’atome de calcium lors de la formation de deux liaisons ioniques (voir la figure 99). La formule chimique de ce composé est donc CaF2 et il porte le nom de « difluoFigure 99 Un atome de calcium (Ca) se lie à deux atomes de fluor (F) pour former un composé. Chaque électron perdu par le calcium est capté par un atome de fluor. rure de calcium ».

F

F



F



Ca

Ca

F

Si les deux éléments qui forment un composé sont de la même famille chimique, il faut écrire en premier celui qui est le plus bas dans la famille. Par exemple, les atomes d’oxygène et de soufre qui s’unissent forment un composé, le dioxyde de soufre, dont la formule est SO2. L’hydrogène n’appartient à aucune famille et constitue par conséquent la seule exception à ces règles. On doit alors considérer l’hydrogène (H) comme étant « à cheval » entre les familles VA et VIA pour être en mesure d’appliquer ces règles d’écriture. Par exemple, on écrira LiH pour « hydrure de lithium » compte tenu du fait que le lithium (Li) est plus à gauche que l’hydrogène (H) dans le tableau périodique.

Section 3 Les transformations chimiques

101

CONCEPT

3.6 La neutralisation acidobasique ST

STE

SE

La neutralisation acidobasique est une transformation chimique dans laquelle un acide et une base réagissent ensemble pour former un sel et de l’eau. Voir La dissociation électrolytique, p. 81.

Les acides et les bases sont des électrolytes qui se dissocient en ions lorsqu’ils sont en solution. Les substances acides libèrent des ions H, alors que les bases libèrent des ions OH. Lorsqu’une solution acide est mélangée avec une solution basique, les ions H réagissent avec les ions OH pour former de l’eau (H2O) et un sel dont la nature dépend des réactifs. L’équation générale de la neutralisation acidobasique est la suivante : acide (aq)  base (aq)  eau (l)  sel (aq) Par exemple, l’acide chlorhydrique (HCl) réagit avec de l’hydroxyde de sodium (NaOH) pour former de l’eau (H2O) et du chlorure de sodium (NaCl) selon l’équation de neutralisation acidobasique suivante : HCl (aq)  NaOH (aq)  H2O (l)  NaCl (aq)

Voir L’échelle pH, p. 82.

Lorsque les solutions de départ (réactifs) renferment des quantités équivalentes d’ions H et OH, la réaction de neutralisation acidobasique est complète et la solution finale produite est neutre, ce qui signifie que son pH est de 7 (voir la figure 100).

H

HCl (aq)

NaOH (aq)

H2O (l)

NaCl (aq)

Na Cl

H (aq)

Cl (aq)

Na (aq)

OH (aq)

H2O (l)

Na (aq)

Cl (aq)

OH H2O

pH < 7

pH > 7

pH  7

Figure 100 Une réaction de neutralisation acidobasique complète entre l’acide chlorhydrique (HCl) et l’hydroxyde de sodium (NaOH) produit une solution finale neutre (pH = 7).

réciproque Échange entre * Réaction deux parties où chacune reçoit autant que ce qu’elle donne.

102

Chapitre 1 Univers matériel

En revanche, si les quantités de réactifs sont différentes, la réaction de neutralisation acidobasique est incomplète : le pH de la solution finale sera acide si elle contient un surplus d’ions H , et basique si elle contient un surplus d’ions OH. La réaction de neutralisation acidobasique est une réaction réciproque : l’acide agit sur la base et la base, sur l’acide.

*

Le chaulage des érablières

Les traitements d’ajustement de pH Dans les grandes villes, des quantités importantes d’eau potable (jusqu’à 30 % ou 40 %) s’échappent par les fissures tout le long du réseau d’aqueduc. Ces fuites sont attribuables à la corrosion des conduites.

*

Pour minimiser l’effet de la corrosion, les municipalités traitent leurs eaux avec des solutions basiques comme la soude caustique (NaOH) avant de les acheminer dans le réseau d’aqueduc. Ces bases permettent de neutraliser partiellement l’acidité de l’eau en maintenant son pH au-dessus de 6,5. Sous cette valeur, la corrosion du métal utilisé pour les conduites d’eau devient problématique. L’eau potable est une ressource très précieuse. Pour atteindre un pourcentage de perte acceptable de 15 % à 20 %, les gestionnaires des réseaux d’aqueduc disposent de plusieurs stratégies en plus de l’ajustement du pH : rénover et entretenir de façon plus soutenue les conduites d’aqueduc, diminuer la pression d’eau dans le réseau en dehors des heures de grande consommation et sensibiliser le public à une utilisation judicieuse de l’eau potable.

L’acidité des lacs Les pluies acides sont surtout dues à la pollution d’origine humaine (industries, transport routier, etc.). Les composés soufrés (SO2) et azotés (NOx) provenant de ces rejets se combinent avec les particules présentes dans l’air pour former des vapeurs dont le pH est inférieur à 5,6. Les précipitations acides qui en découlent entraînent une acidification des lacs et perturbent les écosystèmes aquatiques et terrestres. Ce problème est particulièrement préoccupant au Québec. En effet, le nord de la province est couvert en grande partie par le bouclier canadien, un sol granitique qui ne parvient pas à neutraliser naturellement l’acidité des lacs et des pluies.

Au cours des années 1980, les érablières du sud du Québec ont grandement dépéri. Les sols acidifiés se sont appauvris, nuisant ainsi à la croissance des érables à sucre. Cela a permis à d’autres espèces d’arbres mieux adaptées à l’acidité des sols, comme le hêtre, de prendre peu à peu la place des érables. En 1994, des ingénieurs forestiers ont fait appel à une vieille technique agricole qu’on employait avant l’arrivée des engrais chimiques : le « chaulage ». Les ions (OH) contenus dans la chaux (Ca[OH] 2) épandue sur le sol entourant les érables à sucre ont permis de neutraliser l’acidité du sol en plus de régénérer les réserves en calcium, un élément essentiel à la croissance des végétaux (voir la figure 102).

*

Contrairement aux sols du bouclier canadien, les sols calcaires du sud du Québec renferment du carbonate de calcium (CaCO3) qui forme en grande partie les roches calcaires (voir la figure 101). Les ions carbonates issus de la dissolution du CaCO3 réagissent avec les ions hydrogène et neutralisent naturellement l’acidité du sol selon une réaction semblable à celle-ci :

Figure 102 Un ingénieur forestier appliquant la technique du chaulage. Modification des proprié* Corrosion tés d’un matériau par réaction chimique avec un oxydant, en particulier l’ion H.

Figure 101 La nature basique des sols calcaires permet de

Fait de granite, une roche * Granitique très dure issue du magma terrestre.

neutraliser l’effet des pluies acides, particulièrement dans le sud du Québec.

2 HNO3 (aq)  CaCO3 (aq)  Ca(NO3)2 (aq)  H2O (l)  CO2 (g)

Section 3 Les transformations chimiques

103

CONCEPT

3.7 La synthèse, la décomposition et la précipitation SE

La synthèse est une transformation chimique dans laquelle des éléments ou des composés simples réagissent et forment un composé plus complexe. La décomposition est une transformation chimique dans laquelle un composé se sépare en éléments ou en composés plus simples. La précipitation est la formation d’un solide peu soluble ou insoluble lors du mélange de deux électrolytes. Il existe plusieurs types de transformations chimiques. La connaissance de ces transformations permet de prédire les réactions attendues entre différents éléments ou composés. Parmi les types de transformations chimiques, on distingue, entre autres, les réactions de synthèse, de décomposition et de précipitation.

3.7.1

La synthèse

SE

Dans une réaction de synthèse, deux réactifs (A et B) réagissent ensemble pour former un composé (AB). L’équation type de la synthèse est : A  B  AB La réaction de synthèse de l’eau à partir d’hydrogène (H) et d’oxygène (O) est un exemple d’une telle réaction : 2 H2 (g)  O2 (g)  2 H2O (l) Figure 103 La réaction de synthèse du sel de table met en contact un gaz verdâtre, le dichlore (Cl2), et du sodium (Na).

De la même façon, le sodium (Na) réagit fortement avec le dichlore (Cl 2) pour former du chlorure de sodium (NaCl) selon l’équation suivante (voir la figure 103) : 2 Na (s)  Cl2 (g)  2 NaCl (s)

3.7.2

La décomposition

SE

La réaction de décomposition est la réaction inverse de la synthèse. Elle se produit lorsqu’un composé (AB) se sépare en deux ou plusieurs composés ou éléments plus simples (A et B). L’équation type de la décomposition est la suivante : AB



A



B

Composé  Élément  élément Composé  Composé  élément Composé  Composé  composé

Figure 104 La réaction de décomposition de l’eau peut s’effectuer à l’aide du voltamètre d’Hoffmann.

Par exemple, la décomposition de l’eau est la réaction inverse de la synthèse de l’eau. Quand on procède à la décomposition de l’eau par électrolyse, il est possible de récupérer les gaz (hydrogène et oxygène) séparément grâce à un voltamètre d’Hoffmann (voir la figure 104) selon l’équation suivante : 2 H2O (l)  2 H2 (g)  O2 (g)

104

Chapitre 1 Univers matériel

3.7.3

La précipitation

SE

La réaction de précipitation se produit quand on mélange deux solutions et qu’il se forme dans le mélange un solide peu soluble ou insoluble qui se dépose au fond de la solution. Ce solide porte le nom de précipité. Par exemple, la précipitation de diiodure de plomb (PbI2) se produit lorsqu’on ajoute de l’iodure de potassium (KI) à une solution de dinitrate de plomb [Pb(NO3)2] (voir la figure 105). Le diiodure de plomb (PbI2) étant très peu soluble, il forme un précipité jaune selon la réaction suivante : Pb(NO3)2 (aq)  2 KI (aq)  2 KNO3 (aq)  PbI2 (s) Il est parfois utile de connaître les ions qui ont tendance à former des composés solides peu solubles ou insolubles dans l’eau. Par exemple, la réaction entre des solutions de chlorure de calcium (CaCl2) et de sulfate de sodium (Na 2SO4) produit un précipité dont il est possible de connaître la nature (voir le tableau 14). Lors du mélange des deux solutions, les ions Ca2(aq), Cl(aq), Na(aq) et SO42(aq) se retrouvent simultanément dans le mélange. Puisque les charges de signes opposés s’attirent, les ions Ca2(aq) et SO42–(aq) se combinent pour former du CaSO4. Comme le NaCl est soluble dans l’eau alors que le CaSO4 ne l’est pas, le CaSO4 forme un précipité dans la solution selon la réaction suivante : CaCl2 (aq)  Na2SO4 (aq)  2 NaCl (aq)  CaSO4 (s)

Figure 105 Le précipité formé, de couleur jaune, est du diiodure de plomb (PbI2).

Voir Les ions, p. 60 ; La dissociation électrolytique, p. 76 ; La nature de la liaison, p. 96 .

Le tableau suivant présente la solubilité des différents composés et leur tendance à former des précipités. Tableau 14 La solubilité (dans l’eau) de quelques composés ioniques courants Ions positifs (cations) Li

Éléments de transition et

Na K Ions négatifs (anions)

Rb

Ga3

Ge

Cs

Bi3

As3

Fr

As5

In3

Ag

H

Sn2

Sn4

Cu

Be2 2 NH4 Mg 2 Ca CH3COO –

NO3–

Sr2

Ba2 Ra2

AI3

TI

Pb2 Hg22

CIO3–

SO4 2– SO32–

PO4 3–

CO32–

S2– OH– CI–

Br–

I–

CrO4 2–

Ag

Peu soluble à 25 °C : formation d’un précipité.

Section 3 Les transformations chimiques

105

La formation d’ozone troposphérique et stratosphérique Voir L’ozone, p. 261.

Un même composé peut provenir de réactions chimiques différentes selon le lieu de sa synthèse et les conditions (température, altitude). Par exemple, l’ozone (O3) peut se retrouver près du sol, où il est un constituant du smog, ou dans la haute atmosphère, à environ 30 km d’altitude (couche d’ozone). Dans la troposphère, au niveau du sol, la production d’ozone se déroule en deux étapes. Premièrement, les rayons UV permettent la décomposition du dioxyde d’azote (NO2), qui provient du gaz d’échappement des véhicules, en monoxyde d’azote (NO) et en atomes d’oxygène (O). L’ozone est ensuite produit par la réaction de synthèse entre un atome d’oxygène et une molécule de dioxygène (O2). Les équations suivantes présentent la décomposition du dioxyde d’azote (NO2) puis la synthèse de l’ozone. NO2 (g)  rayonnement UV  NO (g)  O (g) O (g)  O2 (g)  O3 (g) Dans la stratosphère, c’est une réaction de décomposition du dioxygène (O2) sous l’effet du rayonnement UV qui fournit les atomes d’oxygène (O) nécessaires à la synthèse de l’ozone, selon la réaction suivante : O2 (g)  rayonnement UV  2 O (g) O (g)  O2 (g)  O3 (g)

L’épuration par précipitation De nombreux métaux, comme le mercure, le plomb, le nickel, le chrome et le cadmium, sont très toxiques lorsqu’ils sont en solution. La pollution par les métaux lourds provenant des mines, des dépotoirs ou des usines métallurgiques est très dommageable à l’environnement.

Voir L’échelle pH, p. 82.

Ce sont généralement les ions des métaux lourds qui présentent le plus de risques. Pour en limiter les rejets, on utilise des réactions de précipitation visant à retirer les ions des métaux lourds présents dans les eaux usées des usines et des mines. La technique la plus simple se base sur le fait que les hydroxydes de métaux, c’est-à-dire des métaux liés à des ions OH, sont peu solubles. On augmente donc le pH des eaux usées pour atteindre des valeurs auxquelles les métaux à éliminer réagiront avec les ions OH et formeront des précipités. En plus des conditions basiques, des composés à base de soufre (S2) peuvent être utilisés pour éliminer les métaux lourds, ce qui permet de réduire leur concentration jusqu’à de très faibles valeurs. En plus de ces procédés de transformations chimiques, des microorganismes peuvent être utilisés pour faire précipiter les métaux sous forme d’oxydes (métaux liés à des atomes d’oxygène) ou de sulfures (métaux liés à des atomes de soufre).

106

Chapitre 1 Univers matériel

CONCEPT

3.8 Les réactions endothermiques et exothermiques STE SE

Les réactions endothermiques sont des transformations chimiques qui absorbent de l’énergie. Les réactions exothermiques sont des transformations chimiques qui dégagent de l’énergie. Toutes les transformations chimiques entraînent des variations d’énergie dans un système et dans le milieu . Les variations d’énergie dépendent de la nature de la transformation : il peut y avoir absorption d’énergie (réaction endothermique) ou dégagement d’énergie (réaction exothermique). Qu’il y ait absorption ou dégagement, ce transfert d’énergie se manifeste sous plusieurs formes comme la chaleur, la lumière, les ondes sonores ou l’électricité.

*

3.8.1

*

Les réactions endothermiques

STE

Ensemble des atomes et * Système des molécules qui participent à une transformation chimique.

* Milieu Ce qui entoure le système.

SE

Les réactions endothermiques absorbent de l’énergie. Elles requièrent un apport d’énergie constant de la part du milieu pour se réaliser. La photosynthèse est un exemple de réaction qui absorbe de l’énergie. En l’absence de la source d’énergie provenant du milieu (rayonnement solaire), la réaction s’arrête ; lorsque l’énergie est de nouveau fournie par le milieu, la réaction peut se poursuivre.

Voir La photosynthèse et la respiration, p. 112.

Dans les équations chimiques, cette absorption d’énergie est indiquée par l’ajout du mot « énergie » du côté des réactifs ou par une quantité d’énergie qui correspond au nombre de joules absorbés lors de la réaction. Réactifs  énergie  Produits Au cours d’une réaction endothermique, l’énergie absorbée se transforme en énergie chimique. Cette énergie est alors transférée et emmagasinée dans les molécules des produits sous forme d’énergie chimique contenue dans les nouvelles liaisons chimiques formées. Les produits d’une réaction endothermique renferment donc toujours plus d’énergie chimique que les réactifs du début, comme c’est le cas dans la réaction de photosynthèse suivante :

Voir La nature de la liaison, p. 96.

H

énergie 6 CO2 (g)  6 H2O (l)  2 803 kJ  C6H12O6 (s)  6 O2 (g)

O C

C

H

Les réactifs (dioxyde de carbone et eau) se transforment en produits (glucose et dioxygène) à la suite de l’absorption de 2 803 kJ d’énergie par mole de glucose produite. La majorité de cette énergie a été transformée et emmagasinée sous forme d’énergie chimique dans les nombreuses liaisons de la molécule de glucose (voir la figure 106). Le glucose (C6H12O6) et le dioxygène (O2) renferment donc plus d’énergie au total que celle contenue dans les molécules de CO2 et de H2O des réactifs. C’est le rayonnement solaire qui fournit ce surplus d’énergie.

H

O

H

H C

H

C O

C C

O H

H

H

H

O

O H

H

Figure 106 Les nombreuses liaisons qui unissent les atomes de la molécule de glucose représentent une grande quantité d’énergie sous forme d’énergie chimique.

Section 3 Les transformations chimiques

107

3.8.2

Les réactions exothermiques

STE

SE

Les réactions exothermiques dégagent de l’énergie. Sauf pour celles qui doivent être amorcées, ces réactions ne requièrent aucun apport d’énergie de la part du milieu pour se produire. La combustion d’une allumette est un exemple d’une réaction exothermique qui libère de la chaleur après avoir été amorcée. L’énergie du frottement entre l’allumette et la bande brune à l’endos du paquet amorce la réaction de combustion, laquelle peut ensuite continuer d’elle-même sans aucun apport d’énergie en provenance du milieu. La réaction dégage de l’énergie qui est absorbée par le milieu. Dans les équations chimiques, on indique ce dégagement d’énergie par l’ajout du mot « énergie » du côté des produits ou par une quantité d’énergie qui correspond au nombre de joules dégagés lors de la réaction. Réactifs  Produits  énergie Au cours d’une réaction exothermique, l’énergie chimique des réactifs est transformée en un autre type d’énergie, souvent de l’énergie thermique (chaleur). Cette énergie est absorbée par le milieu lors de la formation des produits : c’est pour cette raison que les produits d’une réaction exothermique contiennent toujours moins d’énergie chimique emmagasinée dans leurs liaisons que les réactifs du début. La réaction de la combustion du méthane illustre ce phénomène : énergie CH4 (g)  O2 (g)  CO2 (g)  2 H2O (g)  803 kJ Les réactifs (méthane et dioxygène) se transforment en produits (dioxyde de carbone et eau) et dégagent 803 kJ d’énergie par mole de méthane brûlé.

3.8.3 Voir La stœchiométrie, p. 93.

Le calcul des quantités d’énergie

STE

SE

La stœchiométrie est utile pour prévoir la quantité d’énergie qui sera absorbée ou dégagée lors d’une transformation chimique. L’exemple suivant montre comment effectuer ce type de calcul.

Exemple La combustion d’une mole de propane (C 3H8) dégage 2 046 kJ de chaleur. Quelle quantité d’énergie est libérée lors de la combustion de 450 g de propane ?

Données : Masse de C3H8  450,0 g Énergie  ?

Balancement de l’équation chimique : Équation squelette : C3H8 (g)  O2 (g)  CO2 (g)  H2O (g) Équation balancée : C3H8 (g)  5 O2 (g)  3 CO2 (g)  4 H2O (g)  2 046 kJ

Conversion du rapport molaire en masse : C3H8 (g)  5 O2 (g)  3 CO2 (g)  4 H2O (g)  2 046 kJ 1 mol  MC H 3 8 1 mol  44,1 g/mol 44,1 g

Calcul : x kJ 450,0 g de C3H8  2 046 kJ 44,1 g de C3H8 x

2 046 kJ  450,0 g de C3H8 44,1 g de C3H8

x  20 877,6 kJ Réponse : La combustion des 450 g de propane (C3H8) et d’une quantité suffisante d’oxygène produit 20 877,6 kJ de chaleur.

108

Chapitre 1 Univers matériel

CONCEPT

3.9 L’oxydation et la combustion

ST

STE

ATS

L’oxydation est une transformation chimique dans laquelle le dioxygène (O2) ou une substance aux propriétés semblables se combine avec un réactif pour former un oxyde. La combustion est une réaction d’oxydation très courante qui dégage de l’énergie. Les réactions d’oxydation sont très communes sur Terre : l’atmosphère y est composée de près de 21 % de dioxygène (O2), le réactif chimique responsable de la très grande majorité des réactions d’oxydation. La combustion, la respiration cellulaire, la formation de la rouille et la corrosion sont toutes des réactions d’oxydation.

3.9.1

L’oxydation

STE

ATS

Lors de l’oxydation, l’oxygène arrache les électrons d’un élément ou d’un composé et forme un oxyde avec celui-ci : un oxyde est donc un composé formé d’un ou de plusieurs atomes d’oxygène. Par exemple, l’oxydation du cuivre (Cu) mène à la formation d’oxyde de cuivre (CuO) selon l’équation chimique suivante : 2 Cu (s)  O2 (g)  2 CuO (s) Bien qu’elle porte le nom d’oxydation, la réaction peut aussi être produite par d’autres substances que le dioxygène (O2), comme le dichlore (Cl2) ou le dibrome (Br2). Les substances qui permettent l’oxydation sont appelées « oxydants ». Essentielle au maintien de la vie, la respiration cellulaire est une réaction d’oxydation du glucose (C6H12O6) qui fournit aux cellules l’énergie nécessaire à leur fonctionnement. Par contre, des conditions trop oxydantes dans les cellules peuvent créer de nombreux problèmes. En effet, la réaction de l’oxygène avec les composants cellulaires peut entraîner le vieillissement prématuré des cellules. Pour contrer cette réaction, les cellules produisent des composés antioxydants qui réagissent avec l’oxygène et ralentissent le processus de destruction cellulaire.

3.9.2

La combustion

ST

STE

Voir La photosynthèse et la respiration, p. 112.

Combustible utilisé dans * Carburant un moteur thermique.

ATS

Les réactions de combustion sont toutes des réactions qui dégagent de l’énergie. La plupart du temps, l’énergie est dégagée sous forme de chaleur. La plus connue et la plus spectaculaire des réactions de combustion est le feu. Trois facteurs sont indispensables pour qu’il y ait combustion : la présence d’un combustible, la présence d’un comburant et l’atteinte du point d’ignition. Ensemble, ces trois facteurs forment le « triangle du feu » (voir la figure 107). Le combustible est la substance qui s’oxyde (brûle) lors de la réaction. Il peut être solide, liquide ou gazeux. L’essence, le gaz naturel et l’alcool sont les combustibles les plus utilisés comme carburants*.

Figure 107 Les trois facteurs du « triangle de feu » doivent être réunis pour qu’il y ait combustion.

Section 3 Les transformations chimiques

109

Le comburant est la substance qui opère la combustion du combustible en réagissant avec lui. Sur Terre, le comburant le plus commun est l’oxygène, car il est présent en concentration importante dans l’atmosphère. La majorité des réactions de combustion mènent donc à la formation d’oxydes. Le point d’ignition est la température qui doit être atteinte par un combustible pour que la réaction s’amorce ; elle varie d’un combustible à l’autre. Figure 108 La respiration cellulaire des organismes vivants est une combustion lente.

Figure 109 La combustion du bois et des braises est une combustion vive.

Figure 110 Le foin, une fois entreposé, présente des risques de combustion spontanée.

Il est possible de classer les réactions de combustion en différentes catégories selon la quantité d’énergie qu’elles requièrent et la vitesse de la combustion. Certaines réactions de combustion sont dites « lentes » : elles ne forment pas de flamme et la chaleur qu’elles dégagent se dissipe rapidement. C’est le cas de la respiration cellulaire, qui fournit aux cellules l’énergie nécessaire à leur survie, et de la corrosion du fer (voir la figure 108). Ces réactions de combustion se produisent à des températures ambiantes. Les réactions de combustion vives sont celles qu’on peut associer à une flamme. Elles dégagent rapidement beaucoup d’énergie, en grande partie sous forme de chaleur et de lumière. L’énergie qu’elles libèrent entretient la réaction, qui doit avoir lieu à haute température. Les feux de bois et les explosions des moteurs à essence en sont des exemples courants (voir la figure 109). La combustion spontanée, pour sa part, peut se produire sans apport direct d’énergie. Par exemple, des gaz vont s’enflammer s’ils atteignent une certaine concentration. Leur température d’ignition est alors inférieure à la température ambiante. Cela s’explique par le fait que la chaleur générée par les quelques molécules qui s’oxydent spontanément suffit à déclencher la combustion de tout le gaz. La combustion spontanée peut se produire dans certaines conditions avec des linges imbibés d’essence ou de solvants. Elle peut aussi survenir dans la paille ou le foin, car la chaleur générée par la décomposition d’une partie du foin permet d’atteindre le point d’ignition (voir la figure 110).

La combustion et le réchauffement climatique

Voir L’effet de serre, p. 243.

110

Chapitre 1 Univers matériel

Au cours de l’histoire, l’humain a appris à maîtriser différentes sources d’énergie. La première source maîtrisée, le feu, est toujours celle dont il dépend le plus. En effet, la combustion est un des plus anciens et importants « outils » de l’humanité. Au cours des siècles, seule la nature des combustibles s’est diversifiée. Depuis le 18e siècle, le charbon, le pétrole, le gaz naturel et leurs dérivés ont constitué les combustibles les plus exploités. En 2003, leur combustion fournissait plus de 75 % de toute l’énergie consommée au Canada. L’énergie ainsi produite sert à l’industrie, aux transports et à la production d’électricité. Malgré les avancées technologiques, la réaction de combustion reste la même, et produit du dioxyde de carbone (CO2). La dépendance énergétique des sociétés humaines aux combustibles fossiles représente en soi le plus grand défi environnemental du 21e siècle, puisque l’augmentation constante de la concentration en CO 2 dans l’atmosphère contribue à l’effet de serre et au réchauffement climatique.

Les lixiviats : les « jus de décomposition » des déchets Les sites d’enfouissement sont généralement des sources importantes de pollution. Non seulement produisent-ils du méthane (CH 4), un puissant gaz à effet de serre (GES), mais ils peuvent aussi contaminer l’eau des nappes souterraines. Lorsque l’eau de pluie traverse les déchets accumulés, elle se charge en polluants et en matière organique qui provient de la décomposition des déchets biodégradables. On doit donc récupérer cette matière organique dissoute, appelée « lixiviat », afin de la rendre moins nocive. Il existe plusieurs procédés, majoritairement basés sur l’oxydation, pour traiter le lixiviat. Dans certains procédés biologiques, on cherche à accélérer la biodégradation des matières organiques en utilisant des bassins d’aération : on injecte de l’air dans ces bassins pour favoriser l’oxydation des molécules organiques. Les installations requises pour ce type de traitement peuvent occuper de grandes surfaces (voir la figure 111).

Voir Le traitement des eaux usées, p. 507.

REPÈRE

LE GROUPE D’EXPERTS INTERGOUVERNEMENTAL S U R L’ É V O L U T I O N DU CLIMAT (GIEC)

Figure 111 Une station de traitement des lixiviats par oxydation dans un bassin d’aération.

La bioluminescence des lucioles Pour communiquer, les oiseaux « chantent », les fourmis émettent des phéromones, les abeilles « dansent » et les lucioles font de la lumière (voir la figure 112). Cette capacité étonnante qu’ont les lucioles de produire de la lumière, nommée bioluminescence, est possible grâce au contrôle d’une réaction d’oxydation particulière. Il s’agit de l’oxydation, à partir du dioxygène atmosphérique (O2), d’une molécule, la luciférine. Cette réaction se produit en présence d’un enzyme qui transforme en lumière l’énergie libérée par la réaction d’oxydation. La bioluminescence n’est pas unique aux lucioles : de nombreux animaux et champignons possèdent cette capacité étonnante.

Figure 112 Une luciole émet de la lumière grâce à l’oxydation de la luciférine.

Le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) est un groupe constitué de milliers d’experts et de scientifiques de partout à travers le monde. Le GIEC, créé en 1988 sous la responsabilité de l’ONU, recueille, accumule, analyse et diffuse des données scientifiques relatives aux changements climatiques. Il est formé de trois groupes de travail chargés d’aspects différents, soit l’étude des principes scientifiques, des impacts environnementaux et des solutions à envisager. Le GIEC publie régulièrement ses rapports d’études afin de sensibiliser les citoyens du monde, les organismes et les États aux impacts réels du réchauffement climatique. En 2007, le GIEC a reçu, conjointement avec Al Gore (1948-), le prix Nobel de la paix.

Section 3 Les transformations chimiques

111

CONCEPT

3.10 La photosynthèse et la respiration ST

STE

SE

La photosynthèse est la transformation chimique par laquelle des organismes vivants transforment l’énergie rayonnante du Soleil en énergie chimique.

Voir La synthèse, la décomposition et la précipitation, p. 104. Voir L’oxydation et la combustion, p. 109.

La respiration est la transformation chimique par laquelle l’énergie contenue dans les sucres est libérée pour effectuer du travail dans les cellules vivantes. Presque tous les organismes vivants sur Terre dépendent de deux transformations chimiques : la photosynthèse (réaction de synthèse) et la respiration cellulaire (réaction de combustion).

3.10.1

La photosynthèse

ST

STE

SE

La photosynthèse est à la base de la majorité des écosystèmes de la planète, qu’ils soient terrestres ou aquatiques. Cette transformation chimique permet aux cellules végétales de fabriquer leur propre nourriture, le glucose, qui sert ensuite de source d’énergie et de nutriment pour produire d’autres molécules (composés organiques) nécessaires à la vie. L’équation de base de la photosynthèse montre qu’à partir de dioxyde de carbone (CO2), d’eau (H2O) et du rayonnement solaire (énergie), il y a production de glucose (C6H12O6) et de dioxygène (O2). 6 CO2 (g)  6 H2O (l)  énergie  C6H12O6 (s)  6 O2 (g) Cette réaction est rendue possible grâce, entre autres, à un pigment de couleur verte, la chlorophylle, qui capte le rayonnement solaire (voir la figure 113).

Énergie rayonnante

Le dioxyde de carbone (CO2) est présent dans l’air. Production de dioxygène (O2)

6 CO2 (g)  6 H2O (l)  énergie  C6H12O6 (s)  6 O2 (g) L’eau (H2O) provient des racines du végétal. Production de glucose (C6H12O6)

Figure 113 Une schématisation de la photosynthèse.

112

Chapitre 1 Univers matériel

Cette équation montre que la photosynthèse n’est pas une réaction de synthèse simple, car il y a formation d’un produit secondaire, le dioxygène (O2), un déchet de la réaction. En fait, la photosynthèse produit la majorité du dioxygène présent dans l’atmosphère et contribue ainsi à maintenir ce dioxygène à un niveau stable. La synthèse du glucose à partir de l’énergie rayonnante du Soleil est à la base de presque toutes les chaînes alimentaires de tous les écosystèmes.

3.10.2

La respiration

ST

STE

Voir La dynamique des écosystèmes, p. 377.

SE

La respiration est la réaction chimique inverse de la photosynthèse. Elle se produit au niveau des cellules de tous les organismes vivants. Dans cette réaction, le glucose (C6H12O6) agit comme combustible et le dioxygène (O2), comme comburant ; les produits sont le dioxyde de carbone (CO2) et l’eau (H2O). En effectuant la combustion du glucose, la respiration libère l’énergie nécessaire au bon fonctionnement de la cellule, en plus de produire de la chaleur. Cette réaction s’effectue selon l’équation suivante : C6H12O6 (s)  6 O2 (g)  6 CO2 (g)  6 H2O (l)  énergie Les réactions de photosynthèse et de respiration sont complémentaires : les produits et les déchets de l’une sont les réactifs de l’autre.

Des légumes, été comme hiver

REPÈRE

Cultiver des plantes en serre permet de contrôler étroitement les paramètres qui influent sur la croissance, dont la photosynthèse (voir la figure 114). La culture en serre a pour principal avantage de protéger les plantes contre les aléas du climat ; on peut y surveiller la température et régler l’arrosage des plantes. Il est même possible d’utiliser des lampes particulières pour fournir plus de lumière aux plantes, de manière à améliorer la photosynthèse. On augmente ainsi la durée du « jour » pour obtenir une meilleure croissance, même lors des courtes journées d’hiver. À ce contrôle de l’éclairage et du climat s’ajoute l’enrichissement en dioxyde de carbone (CO 2) de l’atmosphère de la serre. L’augmentation de la concentration de CO2, parfois près de quatre fois la concentration normale, favorise la photosynthèse, dont le CO2 est le principal réactif. Cependant, la production en serre entraîne des coûts élevés et une grande dépense énergétique liés au chauffage et à l’éclairage. Figure 114 La culture en serre.

JULIUS VON MAYER Médecin et physicien allemand (1814-1878) Julius von Mayer est l’un des fondateurs de la thermodynamique, un domaine de la physique qui étudie les échanges d’énergie. Il a mis en évidence le principe de conservation de l’énergie et est aussi le premier à démontrer que la lumière est la source d’énergie à la base de la photosynthèse. Il suggère que les plantes transforment l’énergie lumineuse en énergie chimique et met ainsi en place une des bases de la compréhension de la photosynthèse. Le rôle joué par le dioxyde de carbone (CO2) et l’eau dans ce processus avait été découvert quelques années plus tôt.

Section 3 Les transformations chimiques

113

Pour faire le point La loi de la conservation de la masse STE

SE

SECTION

(pages 89 et 90)

2. La synthèse de l’ammoniaque se réalise selon l’équation suivante : N2 (g)  3 H2 (g)  2 NH3 (g) Si l’on fait réagir 56 g de diazote (N2) avec le dihydrogène (H2) et que 68 g d’ammoniaque (NH3) sont produits, quelle masse de dihydrogène a été utilisée ?

Le balancement d’équations chimiques STE

SE

ST

(pages 91 et 92)

3. a) Qu’est-ce que le balancement d’équations chimiques ? b) Qu’est-ce qu’une équation squelette ? c) Qu’est-ce qu’un coefficient ? 4. Balancez les équations chimiques suivantes : a) NO2  N2O4 b) CO  O2  CO2 c) FeCl3  NaOH  Fe(OH)3  NaCl d) Fe2O3  CO  Fe  CO2

La stœchiométrie

STE

SE

(pages 93 à 95)

5. a) Que sont les rapports molaires ? b) Quelle est l’utilité des calculs stœchiométriques ? 6. Le coussin gonflable d’une automobile se remplit de diazote (N2) produit lors de la réaction de décomposition suivante : 2 NaN3 (s)  3 N2 (g)  2 Na (s) Dans une petite voiture, il faut normalement 2 mol de N2 (g) pour gonfler le coussin du côté du conducteur. Quel est le nombre de moles de NaN3 (s) nécessaires pour produire le diazote ? 7. L’ammoniaque gazeuse [NH3 (g)] réagit avec du dioxygène (O2) pour former de l’eau (H2O) et de l’oxyde d’azote (NO) selon l’équation suivante : 4 NH3 (g)  5 O2 (g)  4 NO (g)  6 H2O (g)

a) Quelle masse de dioxygène réagira avec 34,0 g d’ammoniaque ?

114

Chapitre 1 Univers matériel

Les transformations chimiques

b) Combien de moles de NO (g) seront formées si 320 g de dioxygène réagissent avec suffisamment d’ammoniaque ?

ST

1. Décrivez brièvement la loi de la conservation de la masse.

3

La nature de la liaison

STE

SE

(pages 96 à 98) 8. a) Quelle est la différence entre la liaison ionique et la liaison covalente à l’égard des électrons de valence ? b) Qu’est-ce que l’électronégativité ? c) Qu’est-ce qu’un composé ionique ? 9. De façon générale, entre quelles catégories d’éléments une liaison ionique se produit-elle ? 10. a) Parmi les composés suivants, quels sont ceux qui contiennent une ou plusieurs liaisons ioniques ? CO2, H2O, CaCl2, CCl4, LiF, CaCO3, PBr3, FeSO4

b) Parmi les composés de la liste précédente, illustrez ceux qui contiennent une ou plusieurs liaisons covalentes à l’aide de la notation de Lewis.

Les règles de nomenclature et d’écriture SE

STE

(pages 99 à 101)

11. a) Quelle est l’utilité des règles de nomenclature ? b) En chimie, qu’est-ce qu’une règle d’écriture ? 12. Trouvez le nom ou la formule des composés suivants. a) CsCl b) AgF c) Tétrabromure de carbone d) Ca(NO3)2 e) Hexachlorure de soufre f) Le composé formé de strontium et de chlore g) Le composé formé de chlore et d’aluminium

La neutralisation acidobasique

ST

STE

(pages 102 et 103) 13. a) Qu’est-ce que la neutralisation acidobasique ? b) Pourquoi considère-t-on que la neutralisation acidobasique est une réaction réciproque ?

SE

14. Après avoir versé une solution d’acide chlorhydrique (HCl) dans un bécher, on plonge l’extrémité d’un pH-mètre dans la solution. Le pH-mètre indique 1,9. a) Que se passera-t-il si on ajoute une solution d’hydroxyde de potassium (KOH) goutte à goutte dans l’acide ? b) Déterminez l’équation chimique complète de cette réaction. c) À partir du moment où la quantité d’ions OH sera supérieure à la quantité d’ions H, qu’adviendra-t-il du pH ?

est coupé, la réaction de décomposition s’arrête. b) Quand le dihydrogène est soumis au test de la flamme, une détonation se fait entendre. c) 2 H2 (g)  C (s)  CH4 (g)  75 kJ 19. a) Calculez la quantité d’énergie en jeu si 768 g de H2I2 sont formés lors de la réaction suivante : H2 (g)  I2 (g)  173 kJ  H2I2 (g)

b) Indiquez si la chaleur est absorbée ou dégagée (réaction endothermique ou exothermique).

La synthèse, la décomposition et la précipitation SE (pages 104 à 106) 15. a) Qu’est-ce que la synthèse ? b) Qu’est-ce que la décomposition ? c) Qu’est-ce que la précipitation ?

L’oxydation et la combustion

ST

STE

ATS

(pages 109 à 111) STE

20. a) Qu’est-ce que l’oxydation ? b) Donnez un exemple d’oxydation. c) Déterminez l’équation chimique de la réaction d’oxydation du cuivre.

16. Déterminez à quel type de réaction (synthèse, décomposition ou précipitation) correspond chacune des transformations chimiques suivantes. a) CaCl2 (s)  Ca (s) Cl2 (g) b) CaBr2 (aq)  Pb(NO3)2 (aq)  PbBr2 (s)  Ca(NO3)2 (aq) c) 2 Li (s)  Cl2 (g)  2 LiCl (s)

21. Quelles sont les trois composantes du « triangle de feu » qui permettent la combustion ?

Les réactions endothermiques et exothermiques STE SE (pages 107 et 108)

La photosynthèse et la respiration

17. a) Qu’est-ce qui distingue une réaction endothermique d’une réaction exothermique ? b) Donnez un exemple de réaction endothermique présente dans l’environnement. c) Donnez un exemple de réaction exothermique présente dans l’environnement.

23. a) Qu’est-ce que la photosynthèse ? b) Pourquoi la photosynthèse est-elle à la base de la majorité des écosystèmes ? c) Quelle substance capte le rayonnement solaire lors de la photosynthèse ?

18. Déterminez si les transformations chimiques suivantes sont endothermiques ou exothermiques. a) Lors de la décomposition de l’eau par électrolyse, dès que le courant électrique

ATS

22. Définissez les trois catégories de réactions de combustion et donnez un exemple pour chacune d’elles.

SE

ST

STE

(pages 112 et 113)

24. Qu’est-ce que la respiration ? 25. Expliquez pourquoi la respiration et la photosynthèse sont des réactions inverses.

Section 3 Les transformations chimiques

115

SECTION

3

Les transformations chimiques

La loi de la conservation de la masse

ST

STE

SE

Loi qui exprime que, dans une transformation chimique, la masse totale des réactifs est toujours égale à la masse totale des produits. • En chimie, on ne connaît aucune exception au principe de la conservation de la masse. • Lors des réactions chimiques, les atomes contenus dans les éléments et dans les composés des réactifs se réarrangent pour former ceux des produits. Puisque les atomes des réactifs sont tous conservés, les produits sont formés uniquement par les atomes provenant des réactifs.

Le balancement d’équations chimiques

ST

STE

SE

Ajout de coefficients devant la formule chimique des réactifs et des produits pour respecter la loi de conservation de la masse. • Une équation squelette est une équation chimique qui présente les réactifs et les produits d’une transformation sans tenir compte de la loi de la conservation de la masse. Équation squelette : C8H18 (g)  O2 (g)  CO2 (g)  H2O (g) • Pour satisfaire à la loi de la conservation de la masse, il faut balancer l’équation squelette pour équilibrer le nombre d’atomes des réactifs et des produits. Équation balancée : 2 C8H18 (g)  25 O2 (g)  16 CO2 (g)  18 H2O (g) • Les coefficients indiquent le nombre de molécules en jeu avant et après la transformation chimique.

La stœchiométrie

STE

SE

Étude des rapports entre les quantités de matière (réactifs et produits) qui participent à une transformation chimique. • Les coefficients placés devant les formules chimiques des réactifs et des produits d’une réaction chimique indiquent les proportions dans lesquelles se combinent les réactifs pour former les produits. • Les calculs stœchiométriques permettent de déterminer les quantités de substances (réactifs et produits) et l’énergie impliquées dans une transformation chimique. • Les rapports molaires sont les proportions entre les moles des réactifs et des produits dans une équation chimique balancée.

116

Chapitre 1 Univers matériel

La nature de la liaison

STE

SE

Une liaison chimique correspond au transfert ou au partage d’électrons entre deux atomes, ce qui produit la formation d’un composé. • La force avec laquelle un électron de valence est retenu par le noyau se nomme « électronégativité ». • Une liaison ionique se produit lorsqu’il y a transfert d’électrons d’un atome à un autre. – Ce type de liaison se produit lorsqu’un des atomes possède une électronégativité beaucoup plus grande que l’autre atome. Elle se produit généralement entre un métal et un non-métal. – Elle entraîne la formation d’un composé ionique. • Une liaison covalente se produit lorsqu’il y a partage d’électrons entre deux atomes. – Généralement, ce type de liaison se réalise lorsque la différence d’électronégativité entre les deux éléments est petite. Elle se produit habituellement entre deux non-métaux, entre deux atomes identiques ou entre un non-métal qui réagit avec l’hydrogène. – Elle entraîne la formation d’un composé covalent dans lequel on retrouve une ou plusieurs liaisons covalentes simples, doubles ou triples.

Les règles de nomenclature et d’écriture

STE

SE

Règles qui permettent de nommer et d’écrire la formule chimique des composés, selon des conventions établies, afin de les distinguer entre eux. • Pour nommer les composés chimiques, on nomme en premier lieu l’élément qui est à droite dans la formule chimique, en ajoutant habituellement le suffixe « ure » au radical du nom de l’élément d’origine. On nomme ensuite l’élément qui est à gauche dans la formule chimique en le faisant précéder de la préposition « de ». On ajoute le ou les préfixes appropriés si le composé est formé de plusieurs atomes du même élément. • Pour écrire la formule des composés chimiques, on se base habituellement sur leur nom, lorsqu’on le connaît. Le symbole de l’élément nommé en second lieu s’écrit à gauche dans la formule, tandis que le symbole de l’élément dont le nom se termine en « ure » (fluorure) s’écrit à droite dans la formule.

La neutralisation acidobasique

ST

STE

SE

Transformation chimique dans laquelle un acide et une base réagissent ensemble pour former un sel et de l’eau. • Lorsqu’une solution acide est mélangée avec une solution basique, les ions H– de l’acide réagissent avec les ions OH– de la base pour former de l’eau (H2O) et un sel dont la nature dépend des réactifs. • Lorsque les solutions de départ (réactifs) renferment des quantités équivalentes d’ions H– et OH–, la réaction de neutralisation acidobasique est complète et la solution finale produite est neutre. Lorsque les quantités de réactifs sont différentes, la réaction de neutralisation acidobasique est incomplète : le pH de la solution finale sera acide si elle contient un surplus d’ions H–, et basique si elle contient un surplus d’ions OH–. • L’équation générale de la neutralisation acidobasique s’écrit comme suit : acide (aq)  base (aq)  eau (l)  sel (aq)

Section 3 Les transformations chimiques

117

La synthèse, la décomposition et la précipitation

SE

• La synthèse est une transformation chimique dans laquelle des éléments ou des composés simples réagissent et forment un composé plus complexe. L’équation générale de la synthèse s’écrit comme suit : A  B  AB • La décomposition est une transformation chimique dans laquelle un composé se sépare en éléments ou en composés plus simples. C’est la réaction inverse de la synthèse. L’équation générale de la décomposition s’écrit comme suit : AB  A  B • La précipitation est la formation d’un solide peu soluble ou insoluble lors du mélange de deux électrolytes. Le solide alors formé se nomme un précipité.

Les réactions endothermiques et exothermiques

STE

SE

• Les réactions endothermiques sont des réactions chimiques qui absorbent de l’énergie. L’équation générale d’une réaction endothermique s’écrit comme suit : Réactifs  énergie  Produits • Les réactions exothermiques sont des réactions chimiques qui dégagent de l’énergie. L’équation générale d’une réaction exothermique s’écrit comme suit : Réactifs  Produits  énergie

L’oxydation et la combustion STE

ATS

ST

STE

ATS

• L’oxydation est une transformation chimique dans laquelle le dioxygène (O2) ou une substance aux propriétés semblables se combine avec un réactif pour former un oxyde. Essentielle au maintien de la vie, la respiration cellulaire est une réaction d’oxydation du glucose (C6H12O6).

• La combustion est une réaction d’oxydation qui dégage de l’énergie. Le combustible, le comburant et le point d’ignition sont les éléments essentiels à la combustion.

La photosynthèse et la respiration

ST

STE

SE

• La photosynthèse est la transformation chimique par laquelle des organismes vivants transforment l’énergie rayonnante du Soleil en énergie chimique. L’équation chimique de la photosynthèse est : 6 CO2 (g)  6 H2O (l)  énergie  C6H12O6 (s)  6 O2 (g) • La respiration est la transformation chimique par laquelle l’énergie contenue dans les sucres est libérée pour effectuer du travail dans les cellules vivantes. C’est la réaction inverse de la photosynthèse et son équation chimique est : C6H12O6 (s)  6 O2 (g)  6 CO2 (g)  6 H2O (l)  énergie

118

Chapitre 1 Univers matériel

SECTION

C

omment les étoiles et le Soleil produisent-ils des quantités colossales d’énergie ? D’où vient l’énergie nécessaire à la production d’électricité dans les centrales nucléaires ? Ces deux questions trouvent leurs réponses dans l’étude des transformations nucléaires. Contrairement aux transformations chimiques, qui ne concernent que les électrons situés en périphérie de l’atome, les transformations nucléaires se déroulent, elles, dans le noyau de l’atome. Dans cette section, vous découvrirez que la radioactivité est un phénomène qui découle d’un jeu d’équilibre entre les forces de répulsion et d’attraction présentes à l’intérieur du noyau atomique. Vous verrez également qu’il existe plusieurs types de rayonnement radioactif. De plus, vous serez à même de comprendre ce que sont la fission (voir la photo ci-dessus) et la fusion nucléaires, deux transformations que les êtres humains apprennent à maîtriser de manière à répondre à une partie de leurs besoins énergétiques.

4

Les transformations nucléaires

4.1 4.2 4.3

La stabilité nucléaire . . . . . . . . . . . . . 120 STE

La radioactivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 STE

La fission et la fusion nucléaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 STE

119

CONCEPT

4.1 La stabilité nucléaire

STE

La stabilité nucléaire correspond à un état où les forces nucléaires au sein du noyau atomique sont supérieures à la force de répulsion entre les protons. Voir Le modèle atomique simplifié et le neutron, p. 33.

Selon le modèle atomique simplifié, l’atome est formé d’un noyau composé de nucléons (protons et neutrons) autour duquel gravitent des électrons. À part l’hydrogène (H), tous les éléments du tableau périodique ont un noyau formé de plusieurs protons et neutrons. Le proton possède une charge électrique positive alors que le neutron n’a aucune charge électrique. Comme les charges semblables se repoussent, la force de répulsion qui s’exerce entre les protons tend à les éloigner les uns des autres. L’action d’une autre force, de sens contraire à la force de répulsion des protons, est à l’œuvre dans le noyau atomique. On appelle cette force la « force nucléaire ». La force nucléaire est une force qui lie fortement les nucléons, assurant ainsi la stabilité du noyau de l’atome. La stabilité nucléaire dépend en partie de la taille du noyau atomique. Plus la taille d’un noyau augmente, moins la force nucléaire réussit à s’opposer aux forces de répulsion entre les protons. C’est pourquoi les atomes dont le numéro atomique (Z) est supérieur à 83 sont tous instables, c’est-à-dire qu’ils sont susceptibles de se désintégrer. Par ailleurs, plus le nombre de protons contenus dans le noyau est grand, plus la répulsion entre les protons augmente et plus le nombre de neutrons doit être élevé pour assurer la stabilité du noyau. Les noyaux dont le nombre de neutrons est soit inférieur, soit supérieur au nombre de protons qu’ils contiennent sont instables et sont susceptibles de se désintégrer.

Voir La masse atomique relative et les isotopes, p. 45.

Les atomes d’un même élément ont toujours le même nombre de protons. Par contre, il peut arriver que des atomes d’un même élément aient un nombre différent de neutrons. Ce sont des isotopes. Le noyau de certains isotopes est plus stable que d’autres. Par exemple, il existe trois isotopes du carbone, soit le carbone 12, le carbone 13 et le carbone 14 ; chacun contient six protons, mais un nombre différent de neutrons, soit six, sept et huit neutrons respectivement (voir la figure 115). Les isotopes de carbone 12 et de carbone 13 sont stables tandis que celui de carbone 14 est instable. C’est la raison pour laquelle le noyau du carbone 14 se désintègre alors que ceux du carbone 12 et du carbone 13 ne le font pas. Proton (p+) Neutron (no)

Carbone 12 (126 C)

Carbone 13 (136 C)

Carbone 14 (146 C)

Figure 115 Les noyaux des trois isotopes du carbone (C) contiennent le même nombre de protons, mais un nombre de neutrons différent. L’isotope 146 C est instable en raison du nombre de neutrons, trop grand par rapport au nombre de protons dans le noyau.

120

Chapitre 1 Univers matériel

CONCEPT

4.2 La radioactivité

Proton (p+)

STE

La radioactivité est un phénomène qui se produit lorsque certains noyaux atomiques instables émettent spontanément certaines particules et de l’énergie en se désintégrant. La radioactivité est un phénomène naturel par lequel certains noyaux atomiques instables émettent spontanément des particules et un rayonnement, se transformant ainsi en noyaux plus stables. Cette transformation nucléaire, sous forme de désintégration radioactive, peut se produire par l’émission de trois types de rayonnements : les rayonnements alpha (α), bêta (β) et gamma (γ).

4.2.1

Le rayonnement alpha

Neutron (no) Particule α (42 He)

Figure 116 La particule alpha (α), composée de deux protons et de deux neutrons, est un noyau d’hélium (He) dont le nombre de masse (A) est 4 et le numéro atomique (Z) est 2.

* α Lettre grecque alpha.

STE

*

Le rayonnement alpha (α ) est émis lorsqu’un noyau d’atome instable libère une particule alpha (voir la figure 116). Ce type de désintégration se produit surtout dans les noyaux des éléments les plus lourds, c’est-à-dire des éléments ayant un numéro atomique élevé, comme l’uranium (U) et le plutonium (Pu). Le rayonnement alpha est la façon la plus courante pour un noyau de se transformer en noyau plus stable. Le noyau instable voit alors son nombre de protons et de neutrons diminué de 2, ce qui entraîne la formation d’un atome d’un nouvel élément. Par exemple, la désintégration d’un noyau d’uranium 238 (U) produit du thorium (Th) et l’émission d’une particule alpha (voir la figure 117).



Uranium 238 (238 92 U) Noyau instable

Thorium 234 (234 90 Th) Noyau d’un nouvel élément

Particule α (42 He) Particule libérée

Figure 117 Le rayonnement alpha produit un nouvel élément et une particule alpha ( α) se déplaçant à très grande vitesse, ce qui lui confère beaucoup d’énergie.

L’équation suivante traduit cette transformation nucléaire : 238 U 92



234 Th 90

 42 He

Dans cet exemple, l’émission d’une particule alpha réduit le numéro atomique (Z) de 2 et le nombre de masse (A) de 4. Ce nouveau rapport entre le nombre de protons et de neutrons entraîne la formation d’un isotope du thorium, le thorium 234. Pour atteindre la stabilité nucléaire, le thorium 234 devra subir une série de transformations supplémentaires au terme desquelles il sera transformé en plomb 206, un élément dont le noyau est stable. En transformant un noyau d’un type en un autre, le rayonnement alpha entraîne une transmutation des noyaux instables en noyaux plus stables. De plus, il produit une quantité d’énergie, sous forme d’énergie cinétique, alors que la particule alpha est mise en mouvement lors de son éjection du noyau.

*

REPÈRE

LA DÉCOUVERTE DE LA RADIOACTIVITÉ Le chimiste français Henri Becquerel (1852-1908) a découvert la radioactivité, tout à fait par hasard. En effet, un jour de 1896, Becquerel range dans un tiroir des plaques photographiques enveloppées de papier noir à côté d’un morceau de minerai d’uranium. Quelque temps après, il constate avec étonnement que les plaques ont été altérées sans jamais avoir été exposées à la lumière. Il en déduit que l’uranium émet naturellement un rayonnement. Becquerel invite ses collègues Pierre Curie (1859-1906) et Marie Curie (1867-1934) à poursuivre l’étude de ce phénomène. En 1898, Pierre et Marie Curie isolent deux substances radioactives, le polonium et le radium. Ces trois chercheurs reçoivent le prix Nobel de physique en 1903. C’est toutefois Marie Curie qui, vers 1898, propose le terme «radioactivité». Transformation d’un * Transmutation élément en un autre.

Section 4 Les transformations nucléaires

121

4.2.2



Lettre grecque bêta.

Le rayonnement bêta

STE

*

Le rayonnement bêta (β ) est émis lorsqu’un noyau atomique instable retrouve la stabilité en transformant l’un de ses neutrons en proton. Lors de cette transformation, il y a émission d’une particule de charge négative, appelée « particule bêta », qui est en fait un électron. Étant donné sa masse infime et sa charge négative, la particule bêta est représentée par le symbole10 β (voir la figure 118).

 Neutron (10 n)

Proton (11 p)

Particule β libérée (10 β)

Figure 118 La désintégration bêta produit un nouvel élément, dont le noyau est stable, en transformant un neutron en un proton. Cette transformation nucléaire est accompagnée d’une émission d’une particule bêta (β) de charge négative et de masse pratiquement nulle dotée d’énergie.

Dans le cas du rayonnement bêta, le proton nouvellement formé reste dans le noyau et la particule bêta est éjectée à l’extérieur du nouveau noyau stable. En raison de l’apparition d’un proton supplémentaire, le numéro atomique (Z) augmente de 1 et le noyau prend la forme de l’élément suivant dans le tableau périodique. La désintégration bêta se produit couramment dans la nature, particulièrement dans la matière organique qui contient une certaine proportion d’atomes de carbone 14 (isotope instable du carbone). Ces atomes se désintègrent graduellement en azote (N), dont le numéro atomique est supérieur de 1 à celui du carbone (C) (voir la figure 119).

Proton

Neutron

Neutron transformé en proton



Carbone 14 (146 C)

Azote 14 (147 N)

 Particule β libérée (10 β)

Figure 119 Lorsque le carbone 14 se désintègre, il se transforme en azote 14 et émet une particule bêta (β). Un des neutrons du noyau de carbone se transforme alors en proton lors de l’émission de la particule bêta.

Dans cet exemple, on remarque que le nombre de masse reste inchangé (14) alors que le numéro atomique augmente de 1 (passant de 6 à 7). La désintégration bêta est une transmutation qui s’accompagne d’un dégagement d’énergie. Cette énergie cinétique est contenue dans la particule bêta mise en mouvement lors de son éjection.

122

Chapitre 1 Univers matériel

4.2.3

Le rayonnement gamma

STE

*

Le rayonnement gamma (γ ) est souvent émis en même temps que les rayonnements alpha et bêta.



Lettre grecque gamma.

Lorsque les rayonnements alpha et bêta se produisent, il arrive que les nouveaux noyaux formés se retrouvent dans un état de grande énergie, aussi appelé « état d’excitation élevé ». Le noyau excité émet alors une partie de son énergie sous forme de rayons gamma et revient à un état moins excité qui lui donne une plus grande stabilité. Comme un rayon gamma n’a ni masse ni charge et que son émission n’entraîne aucune variation dans le nombre de protons ou de neutrons, il est représenté par le symbole 00 γ. Le rayonnement gamma n’est donc pas une transmutation comme les rayonnements alpha et bêta qu’il accompagne. Par exemple, la désintégration du césium 137, qui est un isotope qu’on retrouve dans les retombées radioactives d’essais d’armes nucléaires, émet des particules bêta et des rayons gamma. L’équation suivante traduit l’émission d’un rayonnement gamma lors de cette transformation : 137 Cs 55



137 Ba 56

10 β  00 γ

Dans cet exemple, le rayon gamma est émis par le noyau de baryum 137 lorsqu’il est en état de grande énergie. À la suite de cette émission de rayons gamma, le noyau de baryum retrouve un niveau d’énergie plus stable.

Le détecteur de fumée La plupart des détecteurs de fumée contiennent une petite quantité de matière radioactive, l’américium 241. Cet élément se désintègre en émettant des particules alpha et des rayons gamma de basse énergie. La quantité de matière radioactive utilisée est toutefois infime, soit une masse de l’ordre de 2  10–7 g, et elle est située dans un compartiment protégé (voir la figure 120 ). Le cœur du détecteur de fumée est la chambre d’ionisation. Ce dispositif est constitué de deux plaques métalliques entre lesquelles est appliquée une tension électrique à l’aide de la pile. L’une de ces plaques est perforée afin de laisser passer la radiation émise par l’américium 241 (voir la figure 121 ). La radiation émise par l’américium 241 arrache des électrons aux molécules d’oxygène et d’azote de l’air pour les ioniser. Comme les ions sont chargés positivement, ils sont attirés par la plaque négative, alors que les électrons sont attirés par la plaque positive. Un faible courant électrique circule alors entre les deux plaques de la chambre d’ionisation et est détecté à l’aide d’un circuit électronique. Lorsque des particules de fumée entrent dans la chambre d’ionisation, elles interceptent les ions produits par la radiation, ce qui entraîne une diminution de l’intensité du courant électrique circulant entre les plaques. Dès qu’il détecte cette chute de courant, le circuit électronique déclenche le fonctionnement de la sirène.

Circuit de détection

Chambre d’ionisation (compartiment protégé)

Pile Sirène

Figure 120 L’intérieur d’un détecteur de fumée domestique, avec sa chambre d’ionisation contenant une source radioactive protégée par une boîte métallique.

Américium 241

Figure 121 Détail de la chambre d’ionisation.

Section 4 Les transformations nucléaires

123

4.2.4 Le compteur Geiger-Müller Le compteur Geiger-Müller (voir la figure 123 ) sert à mesurer des rayonnements alpha, bêta et gamma. Hans Geiger imagine son principe vers 1913, puis le met au point en 1928 avec l’aide de Walther Müller. Le compteur Geiger-Müller est utilisé dans plusieurs domaines d’activité afin de détecter la présence de rayonnements radioactifs. On l’utilise notamment dans les centrales nucléaires, dans les laboratoires et dans les hôpitaux. Il est aussi utilisé dans les domaines de l’écologie et de la géologie, tout particulièrement en prospection minière. Il arrive également que les pompiers et les policiers emploient ce compteur lors de certaines interventions.

Les effets de la radioactivité sur la vie

STE

En se désintégrant, les atomes instables émettent des rayonnements alpha, bêta et gamma. Ces rayonnements invisibles peuvent pénétrer dans la matière et détacher des électrons d’autres atomes tout en ionisant ceux-ci. On les appelle également « rayonnements ionisants ». Les organismes vivant sur la Terre sont constamment soumis à de faibles doses de ces rayonnements radioactifs. Ces rayonnements proviennent de l’espace et des isotopes radioactifs naturellement présents dans le sol et dans l’atmosphère. Les effets néfastes attribuables à l’irradiation dépendent surtout de l’énergie des rayonnements, de leur pouvoir de pénétration de la matière et des doses auxquelles les organismes sont exposés. En effet, plus le rayonnement est énergétique, plus il a une grande capacité de pénétration de la matière, et plus il peut causer de dommages importants (voir la figure 122 et le tableau 15).

Alpha Bêta Gamma

Figure 122 La pénétration typique des rayonnements ionisants. Tableau 15 Le pouvoir de pénétration et le niveau de risque associés aux rayonnements ionisants Type de rayonnement

Pénétration typique

Risque

Alpha

Parcourt environ 5 cm dans l’air. Ne traverse pas la peau. Est arrêté par une feuille de papier.

Faible

Bêta

Parcourt environ 30 à 50 cm dans l’air. Pénètre jusqu’à environ 1 cm dans le corps. Est arrêté par une planche de bois de 2,5 cm d’épaisseur.

Faible

Gamma

Parcourt de grandes distances dans l’air. Passe à travers les tissus vivants. Peut être partiellement arrêté par une épaisse couche de béton ou des écrans en plomb.

Élevé

Figure 123 Un compteur GeigerMüller.

Les particules alpha et bêta ont un pouvoir de pénétration beaucoup plus faible que les rayons gamma. Cependant, lorsqu’elles proviennent de substances qui sont ingérées et absorbées par l’organisme, elles peuvent être très néfastes, car les tissus et les organes à proximité continuent d’être exposés aux rayonnements. Généralement, les radiations ont des effets qui ne se manifestent pas immédiatement après une exposition. Les effets à court terme d’une exposition ne sont perceptibles que lorsque la dose reçue est très importante (accident dans une centrale nucléaire, exposition trop longue en laboratoire, par exemple). Dans ce cas, des cellules peuvent être détruites, des organes peuvent arrêter de fonctionner normalement, ou encore les cellules dysfonctionnelles peuvent causer l’apparition de cancers ou de mutations génétiques.

124

Chapitre 1 Univers matériel

4.2.5

La demi-vie

STE

La désintégration des noyaux d’atomes instables est un processus aléatoire. Les noyaux se désintègrent au hasard, mais leur nombre diminue de façon exponentielle. Par conséquent, on peut estimer la longévité de la radioactivité d’isotopes instables à partir du temps qu’ils mettent à se désintégrer. La demivie (t 12 ) est le temps qu’il faut à la moitié des noyaux instables d’une quantité d’isotope radioactif pour se désintégrer. Chaque isotope a sa propre demi-vie, qui peut varier de quelques fractions de seconde à plusieurs milliards d’années (voir le tableau 16). Tableau 16 La demi-vie de quelques isotopes radioactifs Isotope radioactif

Symbole

Type de désintégration

8 Be 4

α

0,000 000 000 000 000 2 seconde

Polonium 214

214 Po 84

α

0,000 164 seconde

Magnésium 27

29 12 Mg

β

9,5 minutes

Iode 131

131 I 90

β

8,04 jours

Cobalt 60

60 Co 27

β

5,3 années

14 C 6

β

5 730 années

Plutonium 239

239 Pu 94

α

24 400 années

Uranium 235

235 U 92

α

704 000 000 années

Béryllium 8

Carbone 14

1 2

Demi-vie (t )

Masse d’un échantillon de plutonium 239 (g)

Par exemple, la demi-vie du plutonium 239 est d’environ 24 400 ans. Cela signifie que pour 1 kg de cet isotope radioactif, qui est un déchet produit par les centrales nucléaires, il faudra environ 24 400 ans avant que la moitié des noyaux atomiques qui le constituent se soient désintégrés et cessent d’être radioactifs. Au terme de ces années, il faudra encore 24 400 ans pour réduire le demi-kilogramme de noyaux radioactifs restant à un quart de kilogramme, et ainsi de suite (voir la figure 124).

1 000

100 % : 1 000 g

800 600

50 % : 500 g

400

25 % : 250 g

On fait appel à la notion de demivie pour dater certains objets, par exemple des fossiles relativement récents. L’application la plus connue de ce principe est la datation au carbone 14. Dans l’atmosphère, des neutrons venus de l’espace entrent en collision avec l’azote de l’air pour former du carbone 14. Cet isotope radioactif du carbone est instable et se désintègre avec une demivie de près de 5 730 ans. En se combinant avec l’oxygène de l’air, le carbone 14 forme des molécules de 14CO2 qui se mélangent au reste du 12CO2 de l’atmosphère dans une proportion constante et connue. Les plantes qui absorbent les molécules de CO2 lors de la photosynthèse de même que les animaux qui consomment ces plantes contiennent ainsi cette même proportion de carbone 14. À la mort de l’organisme, le carbone 14 n’est plus renouvelé, de sorte que sa quantité diminue en fonction de sa demi-vie. En mesurant les radiations émises par le carbone 14 non encore désintégré, on peut estimer l’âge de l’organisme en question. Par exemple, si l’on estime qu’il subsiste la moitié du carbone 14 qui était présent au moment de la mort de l’organisme, on en déduit que l’organisme est mort il y a environ 5 730 ans.

12,5 % : 125 g

200 0

La datation radioactive

25 000

50 000

75 000

Années (a)

Figure 124 L’activité du plutonium 239 durant trois demi-vies. Au bout d’environ 75 000 ans, il reste 12,5 % de noyaux radioactifs. Section 4 Les transformations nucléaires

125

La gestion des déchets radioactifs La production de déchets nucléaires commence dès l’extraction du minerai. Par exemple, pour obtenir une tonne d’uranium suffisamment concentré, il faut parfois extraire près de 3 500 tonnes de minerai, ce qui représente une grande proportion de déchets dont environ 80 % sont radioactifs. L’uranium concentré est ensuite utilisé par l’industrie nucléaire, qui produit à son tour différents types de déchets, surtout par l’activité des réacteurs nucléaires. La grande majorité de ces déchets sont faiblement radioactifs (chiffons, gants, vêtements de protection, filtres des systèmes de ventilation). Ces déchets sont mis dans des boîtes de carton recouvertes d’une pellicule plastique, puis les boîtes sont entreposées dans des fosses en béton. Les déchets radioactifs de moyenne intensité se composent surtout de filtres servant à la purification de l’eau et de pièces de robinetterie du réacteur nucléaire. Ils sont eux aussi entreposés dans des fosses en béton. Le problème majeur concernant la gestion des déchets radioactifs vient du fait que, chaque année, il faut remplacer le combustible utilisé par un réacteur nucléaire par du combustible neuf. Le combustible usagé contient différents types d’isotopes fortement radioactifs. La plus grande partie du stock mondial de combustible usagé, qui s’accroît d’environ 12 000 tonnes par année, est entreposée temporairement dans des bassins profonds contenant de l’eau (voir la figure 125). Après quelques années, la température et la radioactivité du combustible ont diminué et sa manipulation devient possible. Toutefois, bien après que les isotopes les plus instables se soient désintégrés dans ces bassins, de nombreux isotopes restent actifs pendant des milliers, voire des centaines de milliers d’années étant donné leur très longue demi-vie. Cela pose un problème de gestion à très long terme de ces déchets. Pour le moment, ces déchets radioactifs sont entreposés dans des conteneurs de stockage à sec déposés généralement dans des enceintes formées de murs de béton. La problématique de la gestion des déchets radioactifs ne se limite pas au stockage. Leur transport par voie terrestre ou maritime, en vue de leur stockage, constitue un enjeu important quant à la protection de l’environnement et de la santé publique.

Figure 125 Un bassin de stockage temporaire des déchets nucléaires où l’eau sert de refroidisseur et de bouclier contre le rayonnement.

126

Chapitre 1 Univers matériel

CONCEPT

4.3 La fission et la fusion nucléaires

STE

La fission nucléaire est le processus par lequel un noyau atomique se scinde en deux noyaux plus légers. La fusion nucléaire est le processus par lequel deux noyaux atomiques légers s’assemblent pour former un noyau plus lourd.

4.3.1

La fission nucléaire

STE

Certains noyaux atomiques instables, plutôt que d’émettre une particule atomique de faible masse (particules alpha ou bêta), se scindent en deux noyaux plus légers. On appelle ce phénomène la fission nucléaire. La fission se produit de façon spontanée seulement dans des noyaux instables très lourds contenant beaucoup de protons et de neutrons. La fission nucléaire peut également être provoquée artificiellement dans un réacteur nucléaire dans le but de produire de la chaleur, puis de l’électricité. La fission nucléaire artificielle se produit lorsqu’un neutron est « absorbé » par le noyau atomique d’un élément lourd. Par exemple, si un noyau d’uranium 235 absorbe un neutron, il devient de l’uranium 236 ; ce dernier est tellement instable qu’il se scinde en deux noyaux plus légers. Les deux noyaux plus légers formés par la fission du noyau lourd d’uranium peuvent être, par exemple, le baryum 141 et le krypton 92, deux isotopes radioactifs qui font partie des déchets nucléaires issus de cette transformation. En plus de former ces isotopes radioactifs, cette réaction libère de l’énergie ainsi que des neutrons se déplaçant à grande vitesse. Ces derniers déclenchent à leur tour d’autres fissions qui elles-mêmes libèrent des neutrons supplémentaires. À chaque étape de ce processus, 235 U le nombre de neutrons produits aug92 mente, ce qui accroît le nombre de fissions qui à leur tour libèrent encore plus de 141 Ba neutrons : c’est la réac56 235 U tion en chaîne. (voir 92 la figure 126).

235 U 92 92 36

141 Ba 56

92 36

Kr

141 Ba 56

Kr

Proton (p+) Neutron (no)

Figure 126 La fission nucléaire de l’uranium 235. Lorsqu’il absorbe

92 36

Kr

un neutron, l’uranium 235 devient de l’uranium 236, ce qui entraîne une réaction en chaîne.

L’équation suivante traduit cette transformation : 235 U 92

 10 n  236 92 U 

141 Ba 56

1  92 36 Kr  3 0 n  Énergie

Section 4 Les transformations nucléaires

127

La quantité d’énergie libérée lors de cette transformation nucléaire est énorme, soit 8,1  1013 J par kilogramme d’uranium qui se fissionne. En comparaison, le charbon libère 2,93  107 J/kg, soit 2,7 millions de fois moins que l’uranium. Un gramme d’uranium contient donc autant d’énergie que 2,7 tonnes de charbon. Si on ne contrôle pas cette réaction en chaîne, l’énergie qu’elle produit est relâchée trop rapidement, ce qui entraîne alors une explosion nucléaire. REPÈRE

LE PREMIER RÉACTEUR NUCLÉAIRE La première réaction en chaîne de fission nucléaire contrôlée a lieu le 2 décembre 1942, à l’université de Chicago. Le réacteur nucléaire expérimental est conçu sous la direction du physicien italien Enrico Fermi (1901-1954). Constitué d’un empilement de 400 tonnes de briques de graphite, de 6 tonnes d’uranium pur et de 38 tonnes d’oxyde d’uranium, le réacteur a une hauteur de 8 m et une base d’environ 7 m 2. Du graphite est utilisé pour ralentir les neutrons afin de faciliter leur capture par les noyaux d’uranium. Les recherches et les découvertes réalisées à l’occasion de la fabrication de ce premier réacteur nucléaire pavent la voie au développement, trois ans plus tard, de la première bombe atomique. Ce n’est que vers 1954 qu’on utilise la fission nucléaire pour produire de l’électricité dans une centrale.

Dans un réacteur nucléaire, on contrôle la réaction en chaîne en ralentissant les neutrons libérés lors de la fission. En modérant la vitesse de la réaction en chaîne, on s’assure de transformer de façon lente et constante l’énergie nucléaire en chaleur utile et, finalement, en électricité.

Le réacteur nucléaire CANDU Le réacteur CANDU, conçu au Canada dans les années 1950 et 1960, est un réacteur nucléaire qui utilise l’uranium naturel comme carburant et de l’eau lourde (oxyde de deutérium) comme modérateur. L’eau lourde est de l’eau dont les molécules sont formées d’isotopes d’hydrogène contenant un proton et un neutron, ce qui en augmente la masse volumique. On utilise l’eau lourde pour ralentir les neutrons émis lors de la fission, ce qui permet de contrôler la vitesse de la réaction en chaîne et de libérer l’énergie de façon lente et constante sous forme de chaleur (voir la figure 127 ). D Turbine à vapeur Génératrice Vapeur C

B A

Chaudière

Pompe Eau lourde Réacteur

Eau (H2O)

Figure 127 Le schéma simplifié du fonctionnement d’un réacteur nucléaire de type CANDU.

A La grande cuve cylindrique du réacteur est remplie d’eau lourde qui sert de modérateur à la réaction en chaîne. B La cuve est traversée par des tubes horizontaux qui contiennent le combustible à l’uranium. C Lorsque la réaction en chaîne se produit, il y a dégagement de chaleur qui est transférée à de l’eau ordinaire, laquelle est sous pression dans une chaudière. D La vapeur formée est transférée vers une turbine reliée à un générateur qui produit de l’électricité.

La bombe au cobalt C’est en 1951, à Saskatoon, en Saskatchewan, que le docteur Harold Elford Johns met au point la bombe au cobalt. La bombe au cobalt est un instrument de radiothérapie qui utilise les rayons gamma produits par la désintégration du cobalt 60 afin de détruire les cellules cancéreuses. L’irradiation a pour but de détruire toutes les cellules cancéreuses, ce qui les empêche de se multiplier dans l’organisme, tout en épargnant le plus possible les tissus sains périphériques. La radiothérapie est utilisée chez plus de la moitié des patients traités pour un cancer (voir la figure 128 ).

128

Chapitre 1 Univers matériel

Figure 128 La bombe au cobalt permet d’irradier les tumeurs cancéreuses profondes de façon très précise.

4.3.2

La fusion nucléaire

STE

La fusion nucléaire est un processus par lequel des noyaux atomiques plus légers se combinent pour former un noyau plus lourd. Pour que les noyaux légers fusionnent, ceux-ci doivent se rapprocher l’un de l’autre jusqu’à ce que la force nucléaire d’attraction soit supérieure à la force de répulsion électrique entre les noyaux. Ce phénomène est possible seulement lorsque les noyaux légers atteignent de très grandes vitesses, ce qui exige une température de plusieurs millions de degrés Celsius. C’est pourquoi ces réactions ne se produisent naturellement que dans le cœur des étoiles, comme le Soleil, où règnent de telles températures. Dans le cas du Soleil et de la majorité des étoiles de taille comparable, c’est la fusion de noyaux d’hydrogène qui est la source de l’énergie. Il s’agit d’une transformation complexe qui s’effectue en plusieurs étapes, mais que l’on peut résumer de la façon suivante : quatre noyaux d’hydrogène (H) se combinent pour former un atome d’hélium (He) et des particules bêta (β) accompagnés d’un dégagement d’énergie (voir la figure 129). 4 2

He Proton Neutron

1 1

1 1

H

H

Bêta 0 1

Fusion nucléaire

1 1

β 0 1

1 1

H

β

H Énergie

Figure 129 La fusion de l’hydrogène entraîne la formation d’hélium et de particules bêta (β) ainsi qu’un dégagement d’énergie.

L’équation suivante traduit cette transformation nucléaire : 4 11 H 

4 2

He  2 01 β  Énergie

Cette transformation nucléaire libère des quantités phénoménales d’énergie sous forme de lumière visible et d’autres gammes de rayonnements électromagnétiques. Pour la même masse de matière de combustible utilisé, il serait théoriquement possible de produire encore plus d’énergie qu’avec la fission nucléaire. Toutefois, la construction d’un réacteur sécuritaire, fiable et performant pose encore de nombreux défis. Entre autres, il faut trouver une façon de contenir les gaz chauds, qui renferment les noyaux à fusionner, dans un espace où la fusion peut s’effectuer. Le Tokamak est une technologie qui permet de créer de telles conditions (voir la figure 130).

Figure 130 Le Tokamak est une technologie de recherche expérimentale dont l’objectif est de produire de l’électricité en récupérant la chaleur qui serait produite par la réaction de fusion nucléaire.

Section 4 Les transformations nucléaires

129

L’utilisation de l’énergie nucléaire pour la production d’électricité L’énergie nucléaire est une forme d’énergie emmagasinée dans le noyau des atomes. Il est possible de libérer cette énergie et de la transformer en électricité en effectuant la fission de noyaux lourds dans un réacteur nucléaire. Au Canada, il y a six centrales nucléaires qui utilisent le procédé de la fission (voir la figure 131). L’utilisation de l’énergie nucléaire pour la production d’électricité est très controversée. Les avantages de l’énergie nucléaire résident dans le fait qu’il s’agit d’un moyen relativement économique de produire de grandes quantités d’électricité. Si on les compare à des centrales thermiques qui brûlent des hydrocarbures et du charbon, les centrales nucléaires émettent très peu de gaz à effet de serre (GES). Si on les compare aux centrales hydroélectriques, comme celles du complexe de la Baie James, les centrales nucléaires n’exigent pas de grandes lignes de transport sur des milliers de kilomètres pour desservir les populations et les usines, puisqu’elles n’ont pas à être construites en fonction de contraintes géographiques. L’utilisation de l’énergie nucléaire pose deux problèmes de taille : la façon de disposer des déchets radioactifs et le risque d’accidents nucléaires. À cet égard, on cite souvent la possibilité d’accidents comme celui survenu à Tchernobyl (Ukraine), en 1986. Après l’explosion du réacteur de cette centrale nucléaire, des retombées radioactives considérables ont eu des effets catastrophiques sur la population et l’environnement. De plus, l’extraction de l’uranium, dont le Canada est le premier producteur mondial, dégage la matière radioactive enfouie, et des résidus radioactifs coulent dans le sol et dans l’eau souterraine, contaminant les écosystèmes.

Figure 131 Au Québec, la centrale nucléaire Gentilly-2, située dans la région de Bécancourt, a été inaugurée en 1983. Elle a une puissance installée de 675 MW.

130

Chapitre 1 Univers matériel

Pour faire le point La stabilité nucléaire

STE

(page 120)

1. a) Quels types de particules sont présents dans le noyau atomique ? b) Qu’est-ce que la stabilité nucléaire ? c) Quel type de particule assure en partie la stabilité du noyau atomique ? 2. a) À partir de quel numéro atomique les éléments sont-ils tous instables ? b) Qu’est-ce qui se produit quand l’instabilité d’un noyau est trop grande ?

La radioactivité

STE

(pages 121 à 126)

3. Qu’est-ce que la radioactivité ? 4. a) Quels sont les trois types de rayonnements radioactifs ? b) Quel type de rayonnement radioactif se produit le plus couramment dans la nature ? 5. a) De quoi est formée une particule alpha ? À quoi ressemble-t-elle ?

b) Qu’advient-il du nombre de masse et du numéro atomique d’un élément qui émet une particule alpha ? 6. a) Quel nom donne-t-on à la transformation d’un élément en un autre élément à la suite d’une désintégration radioactive ? b) Quel type de désintégration ne transforme pas un élément en un autre élément ? 7. a) À quelle particule peut-on comparer la particule bêta ? Expliquez pourquoi. b) Lors d’une désintégration bêta, d’où provient le proton supplémentaire qui se trouve dans le noyau final ? c) Que provoque l’apparition de ce nouveau proton ? 8. a) De quel type d’énergie sont dotées les particules éjectées lors des désintégrations alpha et bêta ?

SECTION

4

Les transformations nucléaires

b) Quel autre type de rayonnement peut accompagner l’émission de rayonnements alpha ou bêta ? 9. a) Nommez les trois facteurs dont dépendent les effets néfastes de l’irradiation sur les organismes vivants. b) Décrivez ce qui distingue les trois types de rayonnements radioactifs en ce qui a trait à leur pénétration. 10. Quels sont les principaux effets néfastes des radiations sur les organismes vivants ? 11. a) Précisez pourquoi la désintégration des noyaux est un processus aléatoire. b) Qu’est-ce que la demi-vie d’un isotope ? 12. L’argon 39 a une demi-vie de 5,26 années et celle du cobalt 60 est de 5,3 années. Si un échantillon de 1 kg de chaque substance se désintègre pendant 100 ans, laquelle de ces substances sera présente en plus grande quantité à la fin de la période ? Expliquez votre réponse.

La fission et la fusion nucléaires

STE

(pages 127 à 130) 13. a) Qu’est-ce que la fission nucléaire ? b) Dans quel type de noyau la fission se produit-elle spontanément de façon naturelle ? 14. a) Comment est-il possible de causer artificiellement la fission d’un noyau atomique ? b) Pour quelle raison provoque-t-on artificiellement la fission nucléaire ? 15. a) Qu’est-ce qu’une réaction en chaîne ? b) Pourquoi est-il important de contrôler une réaction en chaîne ? 16. a) Qu’est-ce que la fusion nucléaire ? b) Où la fusion nucléaire se produit-elle de façon naturelle ?

Section 4 Les transformations nucléaires

131

SECTION

La stabilité nucléaire

4

Les transformations nucléaires

STE

État où les forces nucléaires dans le noyau atomique sont supérieures à la force de répulsion entre les protons. • La stabilité nucléaire dépend en partie de la taille du noyau atomique. • Les noyaux dont le nombre de neutrons est soit inférieur, soit supérieur au nombre de protons qu’ils contiennent sont instables et sont susceptibles de se désintégrer.

La radioactivité

STE

Phénomène naturel par lequel certains noyaux atomiques instables émettent spontanément des particules et un rayonnement pour se transformer en noyaux plus stables. • Le rayonnement alpha correspond à l’émission d’une particule alpha (α), laquelle contient deux protons et deux neutrons. Ce type de désintégration est le plus courant et se produit surtout dans les noyaux lourds. Le rayonnement alpha produit un nouvel élément dont le numéro atomique (Z) est réduit de 2 par rapport à l’élément de départ. • Le rayonnement bêta correspond à l’émission d’une particule bêta (β), laquelle est semblable à un électron. Ce type de désintégration produit un nouvel élément dont le numéro atomique (Z) augmente de 1 par rapport à l’élément de départ. • Le rayonnement gamma correspond à l’émission de rayons gamma (γ), lesquels sont des ondes électromagnétiques très énergétiques. Ce type de désintégration accompagne souvent les rayonnements alpha et bêta et ne produit pas un nouvel élément. • Les radiations produites par les désintégrations alpha, bêta et gamma ont des effets néfastes sur la vie. Ces effets dépendent de l’énergie que les radiations contiennent, de leur pouvoir de pénétration et de la dose reçue. • La demi-vie (t 12 ) est le temps qu’il faut à la moitié des noyaux instables d’une quantité d’isotope radioactif pour se désintégrer.

La fission et la fusion nucléaires

STE

• La fission nucléaire est le processus par lequel un noyau atomique lourd se scinde en deux noyaux plus légers. La fission nucléaire se produit parfois spontanément dans la nature. Le processus peut être produit artificiellement dans les centrales nucléaires, ce qui nécessite des procédés complexes afin de contrôler la réaction en chaîne. • La fusion nucléaire est le processus par lequel deux noyaux légers s’assemblent pour former un noyau plus lourd. La fusion nucléaire se produit naturellement dans les étoiles comme le Soleil et produit plus d’énergie que la fission pour des masses comparables.

132

Chapitre 1 Univers matériel

SECTION

L

es forces et les mouvements sont omniprésents dans la vie de tous les jours. Ouvrir une porte, se déplacer à bicyclette ou en automobile, frapper ou encore arrêter un ballon de soccer sont toutes des actions qui mettent en jeu des forces et des mouvements. Les concepts de force et de mouvement appartiennent à la physique. Ils sont utiles dans un grand nombre de domaines, notamment en technologie, pour la conception de moyens de transport, de systèmes hydrauliques ou de toute machine qui comprend des pièces en mouvement. De plus, la compréhension des différents types de forces permet de choisir adéquatement les matériaux qui composent un objet technique ou une structure, comme un pont.

5

Les forces et les mouvements

5.1 5.2

La force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

5.3

La relation entre la vitesse constante, la distance et le temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

ATS

L’équilibre de deux forces . . . . . . . . 137 ATS

ATS

Dans cette section, vous approfondirez vos connaissances des concepts de force, de distance et de mouvement.

133

CONCEPT

5.1 La force

ATS

Une force est une poussée ou une traction appliquée sur un corps, qui peut modifier le mouvement ou la forme de ce corps.

Voir Les forces d’attraction et de répulsion, p. 210.

Le concept de force est très important en physique et en technologie, car la force est à l’origine de tous les mouvements. Une force est toujours exercée sur un corps (un objet) par un autre corps. Elle peut agir à distance, comme la force gravitationnelle ou la force électromagnétique, ou par contact, en poussant (poussée) sur un objet ou en tirant (traction) sur celui-ci.

5.1.1

Les caractéristiques d’une force

ATS

Une force peut modifier le mouvement d’un corps de différentes façons. Ainsi, elle peut mettre en mouvement un corps immobile, par exemple lorsqu’une personne frappe un ballon de soccer. À l’inverse, elle peut immobiliser un corps en mouvement, par exemple lorsqu’une personne arrête un ballon avec son pied. Une force peut également modifier la vitesse ou la direction d’un corps en mouvement. Ainsi, la force plus ou moins intense avec laquelle une balle de tennis est frappée influe sur la vitesse de la balle. De Figure 132 La déformation d’une balle de golf lors d’un impact. même, l’angle selon lequel la balle est frappée influe sur la direction de la balle. Enfin, une force peut Voir Les contraintes, p. 474. entraîner la déformation d’un corps : elle peut l’étirer, le comprimer, le tordre, le plier, le courber ou le déchirer (voir la figure 132). En physique, la force est représentée graphiquement par une flèche (voir la figure 133), qui indique : • son intensité ; • son point d’application ; • sa direction ; OUTIL

• son sens.

11.9

La mesure de la force

L’intensité de la force est représentée par la longueur de la flèche, ou encore par un nombre qui indique sa valeur. Dans le système international, la force (F) a pour unité de mesure le newton (N). Le point d’application d’une force correspond à l’endroit précis où cette force s’applique sur un corps. On place l’origine de la flèche à la hauteur du point d’application. La direction de la force est représentée par un segment de droite au bout duquel une pointe de flèche indique le sens de la force.

Direction Sens

F1

0N

Point d’application

Intensité de la force

Figure 133 La représentation graphique d’une force.

134

Chapitre 1 Univers matériel

5.1.2

Les types de forces

ATS

Tous les phénomènes physiques connus peuvent être expliqués à l’aide de différents types de forces fondamentales. Les types de forces fondamentales sont la force gravitationnelle, la force électromagnétique et les forces nucléaires faible et forte.

La force gravitationnelle La force gravitationnelle (Fg ) est une force d’attraction entre deux corps. Elle dépend de la masse de chacun des corps et de la distance entre ceux-ci. Plus la masse des corps est grande, plus la force gravitationnelle est grande. Plus la distance entre les corps est grande, plus l’attraction entre ceux-ci est faible.

Voir La relation entre la masse et le poids, p. 147. Voir Le système Terre-Lune, p. 237.

La force gravitationnelle n’est vraiment perceptible que lorsqu’elle est exercée par des corps extrêmement massifs, comme les astres (étoiles, planètes, satellites naturels). La manifestation la plus courante de la force gravitationnelle est le poids, c’est-à-dire l’attraction entre la Terre (un astre) et les objets qui se trouvent à sa surface. Sur la Lune, les objets ont également un poids, mais il y est de moindre intensité, car la Lune a une masse plus faible que celle de la Terre (voir la figure 134). La force gravitationnelle est également responsable du mouvement des astres et des marées sur Terre.

REPÈRE

ISAAC NEWTON Mathématicien, physicien et astronome anglais (1642-1727)

Fg (Lune)

Fg (Terre)

Figure 134 Parce que la masse de la Lune est plus petite que celle de la Terre, la force gravitationnelle de la Lune est six fois plus faible que celle de la Terre.

Isaac Newton étudie entre autres la mathématique, l’astronomie et la physique optique avant d’enseigner lui-même la mathématique. Il est le premier scientifique à montrer le spectre de la lumière visible à l’aide d’un prisme. En 1687, il publie Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, dans lequel il expose la loi de la gravitation universelle ainsi que trois lois (les lois de « Newton ») qui décrivent le lien entre les forces et le comportement des corps en mouvement. En raison de sa contribution exceptionnelle à différents domaines scientifiques, il est enterré à Londres, à l’abbaye de Westminster, lieu de sépulture de la plupart des rois et reines d’Angleterre.

Section 5 Les forces et les mouvements

135

La force électromagnétique

Une question de vie ou de mort L’équipement des alpinistes est conçu pour résister aux forces en action ou pour en tirer profit (voir la figure 135). En effet, les semelles de leurs chaussures sont faites de caoutchouc adhérent qui permet d’augmenter la force de frottement avec la paroi rocheuse. Les cordes qu’ils utilisent sont conçues pour stopper les chutes et pour absorber une partie du choc sans générer de forces qui soient trop grandes pour le corps humain. Ces cordes sont recouvertes d’une gaine qui sert de protection contre les forces de frottement exercées par les pierres des parois.

La force électromagnétique est la force fondamentale dont les effets sont les plus fréquents dans la vie courante. C’est une force d’attraction ou de répulsion qui s’exerce à distance entre deux corps chargés électroniquement (par exemple, les atomes formant une molécule) ou entre deux corps qui possèdent des pôles magnétiques (par exemple, des aimants). La force électromagnétique peut également s’exercer lorsque deux corps sont en contact l’un avec l’autre. On l’appelle alors « force de contact ». Dès qu’on pousse un objet ou qu’on tire sur un objet, on applique une force de contact (voir la figure 136). De même, lorsqu’un objet est déposé sur un autre, par exemple un livre sur une table, la force de contact compense la force gravitationnelle qui s’applique sur le livre (voir la figure 137). La force de frottement (Ff ) est une force s’opposant au mouvement d’un objet qui est en contact avec une surface. Elle dépend de la nature de la surface et de l’intensité de la force de contact entre la surface et l’objet (voir la figure 138). La force de frottement est parallèle aux surfaces en contact et de sens opposé au mouvement.

Fcontact Fcontact

a) Une queue de billard pousse une boule.

b) Une main tire sur une poignée pour ouvrir la porte.

Figure 136 Des exemples de forces qui poussent un objet ou qui tirent sur un objet.

Figure 135 Un alpiniste gravissant une paroi rocheuse.

Fcontact Fg

Ff

Ff

Figure 137 La force de contact (Fcontact ) résiste au

poids (Fg ) du livre.

Ff

Figure 138 Les forces de frottement entre les pneus de la voiture et la route, et entre l’avant de la voiture et l’air.

Les forces nucléaires faible et forte

Voir La stabilité nucléaire, p. 120.

136

Chapitre 1 Univers matériel

Les forces nucléaires faible et forte agissent à l’intérieur du noyau atomique. Ces forces n’ont pas d’application directe dans l’étude des systèmes technologiques. Elles sont liées à l’étude de la fission nucléaire et de la fusion nucléaire.

CONCEPT

5.2 L’équilibre de deux forces

ATS

L’équilibre de deux forces correspond à une situation où la force résultante est nulle et où le mouvement d’un corps ne subit aucune modification. Dans la plupart des situations de la vie courante, les corps (les objets) subissent l’effet combiné de plusieurs forces en même temps. La force résultante (Fr ) est la force qui correspond à la somme de toutes les forces appliquées sur un corps. Par exemple, lorsque deux forces en action sur un objet ont le même sens et la même direction, la force résultante (si l’on ignore les forces de frottement) correspond à la somme de ces forces (voir la figure 139 a). Lorsque deux forces en action sur un objet sont de sens opposés, elles se soustraient et la force résultante correspond alors à la différence d’intensité de ces deux forces (voir la figure 139 b). L’objet est dit « en équilibre » lorsque les deux forces de sens opposés ont la même intensité (voir la figure 139 c).

F1  30 N

F1  30 N

F1  20 N

F2  10 N

F2  20 N

F2  30 N

Fr  60 N

Figure 139 a La force résultante (Fr ) correspond à F1  F2 . La bibliothèque se met en mouvement vers la droite.

Fr  20 N

Figure 139 b La force résultante (Fr ) correspond à F1  F2 . La bibliothèque se met en mouvement vers la droite.

Fr  0 N

Figure 139 c La force résultante (Fr ) est nulle. La bibliothèque est « en équilibre » et demeure immobile.

Un corps en équilibre demeure au repos s’il est immobile, alors qu’il poursuit son déplacement à vitesse constante s’il est en mouvement. Lorsque la force résultante est non nulle (Fr < 0 N ou Fr > 0 N), un corps immobile se met en mouvement ou, s’il est déjà en mouvement, voit sa vitesse ou sa direction varier.

Comment se représenter un newton (N) Une force de un newton correspond à peu près au poids d’un citron ou de deux balles de golf. On peut ressentir l’intensité de cette force lorsqu’on tient ces objets dans une main.

Section 5 Les forces et les mouvements

137

CONCEPT

5.3 La relation entre la vitesse constante, la distance et le temps ATS

La relation entre la vitesse contante (v), la distance (d) et le temps (t) se traduit d par l’équation v  t . La vitesse correspond au rapport entre la distance parcourue par un corps et l’intervalle de temps pris pour parcourir cette distance.

Voir La force, p. 134.

De très nombreux systèmes tehnologiques sont conçus pour fonctionner à une vitesse constante, c’est-à-dire que leur mouvement ne connaît ni accélération ni décélération. Par exemple, une fois mis en mouvement par une force, un escalier mécanique ou un tapis roulant se déplacent à une vitesse qui semble constante (voir la figure 140). Cependant, la vitesse des systèmes technologiques n’est pas parfaitement constante, car une telle vitesse est presque impossible à maintenir durant de longues périodes. C’est pourquoi, lorsqu’on décrit le mouvement d’un objet technique ou d’un système qui se déplace à une vitesse dite « constante », on utilise plutôt le concept de vitesse moyenne, qui reflète mieux la réalité.

Figure 140 Les escaliers mécaniques sont des systèmes technologiques qui fonctionnent à une vitesse dite « constante ».

v

d t

La vitesse moyenne (v) est calculée en divisant la distance parcourue (d), exprimée en mètres, par un intervalle de temps (t), exprimé en secondes. Ainsi, la vitesse moyenne est exprimée en mètres par seconde (m/s). L’équation suivante traduit la relation entre la vitesse moyenne, la distance et le temps. où

v  Vitesse moyenne, exprimée en mètres par seconde (m/s) d  Distance parcourue, exprimée en mètres (m) t  Intervalle de temps, exprimé en secondes (s)

La valeur de la vitesse moyenne pendant un intervalle de temps donné est donc directement proportionnelle à la distance parcourue. Les exemples suivants montrent comment on peut utiliser cette équation. Exemple A

Exemple B

Une caisse déposée sur un convoyeur parcourt, à une vitesse constante, une distance de 4,5 mètres en 18 secondes. À quelle vitesse moyenne la caisse se déplace-t-elle ?

La cabine d’un téléphérique se déplace à une vitesse constante de 8 m/s sur une distance de 60 mètres. En combien de temps la cabine parcourt-elle cette distance ?

Données :

Données :

d  4,5 m t  18 s

v?

Calcul : d v t 4,5 m v 18 s v  0,25 m/s

138

Chapitre 1 Univers matériel

v  8 m/s d  60 m t  ?

Calcul : d v t

alors

t 

d v

60 m 8 m/s t  7,5 s t 

Exemple C Une voiture parcourt une distance de 210 km dans un intervalle de 2 heures 15 minutes. Quelle est la vitesse moyenne de la voiture : a) en km/h ? b) en m/s ?

Données :

Calcul :

d  210 km (210 000 m)

a) v 

t  2 h 15 (2,25 h ou 8 100 s)

v

v?

b) v 

v

d t 210 km  93,3 km/h 2,25 h

d t 210 000 m  25,9 m/s 8 100 s

Pour faire le point La force

ATS

(pages 134 à 136)

1. a) Dans vos mots, décrivez ce qu’est une force. b) Lorsqu’un objet subit une force, que peut-il lui arriver ? c) Quelle est l’unité de mesure de la force ? 2. Donnez un exemple de la vie courante où une force est mise en jeu et précisez le sens, la direction et le point d’application de cette force. 3. Quels sont les différents types de forces fondamentales ? 4. Quelle est la manifestation la plus courante de la force gravitationnelle ? Donnez un exemple. 5. a) Quel type de force compense la force gravitationnelle quand deux objets sont posés l’un sur l’autre ? b) Quel type de force fait en sorte qu’une boule de billard, une fois frappée par la queue, ralentira pour ensuite s’immobiliser ? c) Quel type de force correspond au choc d’un pied qui frappe un ballon ?

SECTION

5

Les forces et les mouvements

L’équilibre de deux forces

ATS

(page 137)

6. Qu’est-ce que la force résultante ? 7. a) Dans quel cas la force résultante est-elle nulle ? b) Qu’arrive-t-il à un objet lorsque la force résultante est nulle ? 8. Donnez un exemple de situation dans laquelle la force résultante est non nulle.

La relation entre la vitesse constante, la distance et le temps ATS (pages 138 et 139) 9. a) Qu’est-ce que la vitesse constante ? b) Pourquoi a-t-on recours au concept de vitesse moyenne pour décrire le mouvement d’un objet technique ? 10. Quelle relation y a-t-il entre la vitesse, la distance et le temps ? 11. Entre deux étages d’un centre commercial, un escalier roulant d’une longueur de 30 mètres fonctionne à une vitesse constante de 2,5 m/s. Combien de temps faut-il à une personne pour gravir un étage en prenant cet escalier ?

Section 5 Les forces et les mouvements

139

SECTION

La force

5

Les forces et les mouvements

ATS

Poussée ou traction appliquée sur un corps, qui peut modifier le mouvement ou la forme de ce corps. • Une force peut agir à distance ou par contact, en poussant (poussée) un objet ou en tirant (traction) sur celui-ci. Une force peut mettre en mouvement un corps immobile, immobiliser un corps en mouvement ou modifier la vitesse ou la direction d’un corps en mouvement. • La force est représentée par une flèche qui indique son intensité, son point d’application, sa direction et son sens. L’intensité de la force est représentée par la longueur de la flèche. Dans le système international, la force (F) a pour unité de mesure le newton (N). • Les types de forces fondamentales sont la force gravitationnelle, la force électromagnétique et les forces nucléaires faible et forte. – La force gravitationnelle (Fg) est une force d’attraction entre deux corps. Elle dépend de la masse de chacun des corps et de la distance entre ceux-ci. Sa manifestation la plus courante est le poids. – La force électromagnétique s’exerce à distance entre deux corps (force d’attraction ou de répulsion) et lorsque deux corps se touchent (force de contact). La force de frottement s’oppose au mouvement d’un objet qui est en contact avec une surface. – Les forces nucléaires faible et forte agissent à l’intérieur du noyau atomique.

L’équilibre de deux forces

ATS

Situation où la force résultante est nulle et où le mouvement d’un corps ne subit aucune modification. • La force résultante (Fr ) est la force qui correspond à la somme de toutes les forces appliquées sur un corps. • Lorsque la force résultante est nulle (Fr = 0 N), on dit que le corps est « en équilibre ». Un corps en équilibre demeure au repos s’il est immobile, alors qu’il poursuit son déplacement à vitesse constante s’il est en mouvement. • Lorsque la force résultante est non nulle, un corps immobile se met en mouvement ou, s’il est déjà en mouvement, voit sa vitesse ou sa direction varier.

La relation entre la vitesse constante, la distance et le temps

ATS

• Lorsqu’on décrit le mouvement d’un objet technique ou d’un système qui se déplace à une vitesse dite « constante », on utilise le concept de vitesse moyenne. • La relation entre la vitesse moyenne, la distance et le temps se traduit par l’équation suivante :

v

d t



v  Vitesse moyenne, exprimée en mètres par seconde (m/s) d  Distance parcourue, exprimée en mètres (m) t  Intervalle de temps, exprimé en secondes (s)

140

Chapitre 1 Univers matériel

SECTION

6.1

La relation entre le travail, la force et le déplacement . . . . . . . . 143 STE

6.2

6.4

ATS

La relation entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse . . . 148 STE

6.5

SE

La relation entre la masse et le poids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 STE

6.6

SE

La relation entre le travail et l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 STE

6.3

6

Les transformations de l’énergie

SE

La loi de la conservation de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 ST

6.7 6.8

ATS

Le rendement énergétique . . . . . . . . 154 ST

STE

ATS

La distinction entre chaleur et température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 ST

6.9

STE

STE

ATS

La relation entre l’énergie thermique, la capacité thermique massique, la masse et la variation de température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 STE

SE

La relation entre l’énergie potentielle, la masse, l’accélération et le déplacement . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 STE

SE

141

L

’énergie est différente de la matière qui nous entoure. Elle n’a pas de masse ni de volume. Pourtant, elle est à la base de tout ce qui se produit sur Terre. En effet, l’énergie permet tout aussi bien aux humains d’exercer leurs activités quotidiennes qu’aux avions de voler ou qu’aux voiliers de naviguer. C’est également l’énergie qui permet aux plantes de réaliser la photosynthèse. Sans énergie, il n’y aurait ni lumière, ni mouvement, ni chaleur, ni vie.

Les formes d’énergie Il existe deux grandes catégories d’énergie : l’énergie cinétique et l’énergie potentielle. L’énergie cinétique est liée au mouvement d’un corps. L’énergie potentielle est emmagasinée dans un corps et peut être transformée en une autre forme d’énergie. Le tableau 17 présente quelques formes d’énergie courantes qui appartiennent à l’une ou l’autre de ces catégories, ainsi que des exemples.

Tableau 1 Quelques formes d’énergie Catégories

Énergie cinétique

Énergie potentielle

142

Formes d’énergie

Exemples

Énergie thermique Énergie liée au mouvement d’agitation des molécules et des atomes qui composent un objet ou une substance.

De l’eau qui bout. L’énergie thermique des molécules de l’eau augmente et celles-ci deviennent plus agitées.

Énergie éolienne Énergie liée au mouvement des molécules de l’air.

Le vent qui fait avancer un voilier.

Énergie électrique Énergie liée au mouvement des charges électriques dans un circuit.

Le flux d’électrons qui circule dans un fil électrique parcouru par un courant.

Énergie potentielle gravitationnelle Énergie emmagasinée dans un corps et qui dépend de la hauteur de ce dernier par rapport à un point de référence.

L’eau au sommet d’une chute. En raison de sa position en hauteur, cette eau contient plus d’énergie potentielle gravitationnelle que l’eau en bas de la chute.

Énergie élastique Énergie emmagasinée dans les matériaux élastiques en compression ou en tension.

Des ressorts qui absorbent et relâchent de l’énergie lorsqu’ils sont comprimés, puis qu’ils se détendent.

Énergie chimique Énergie emmagasinée dans les liaisons chimiques entre les atomes.

L’énergie contenue dans le glucose, le pétrole, etc.

Énergie nucléaire Énergie emmagasinée dans le noyau d’un atome.

La fusion nucléaire (au cœur des étoiles) et la fission nucléaire (dans les centrales nucléaires).

Énergie rayonnante Énergie transportée par une onde électromagnétique.

La lumière du soleil ou d’une ampoule électrique, les micro-ondes qui réchauffent les aliments, les ondes radio, les ondes émises et captées par les téléphones cellulaires.

Chapitre 1 Univers matériel

CONCEPT

6.1 La relation entre le travail, la force et le déplacement STE SE

La relation entre le travail (W), la force (F ) et le déplacement (d) se traduit par l’équation W = Fd. Le travail correspond à la force appliquée sur un corps lors de son déplacement. En science, pour qu’un travail soit effectué sur un corps (un objet), trois conditions doivent être respectées : 1. L’objet doit se déplacer. Par exemple, une personne qui tire sur un arbre avec une corde exerce une force de traction sur l’arbre. Toutefois, si l’arbre ne se déplace pas, aucun travail n’est effectué (voir la figure 141).

Voir La force, p. 134.

Aucun déplacement

F

Déplacement Aucune force appliquée

Figure 141 Une force est appliquée, mais il n’y a pas de déplacement : aucun travail n’est effectué.

2. Une force doit être appliquée sur l’objet. Par exemple, lorsqu’une personne roule à bicyclette sans pédaler, aucun travail n’est effectué puisque la personne n’applique aucune force sur la bicyclette (voir la figure 142).

Figure 142 Il y a déplacement, mais aucune force n’est appliquée : aucun travail n’est effectué.

3. Le déplacement de l’objet doit être dans la même direction que la force appliquée sur l’objet ou qu’une composante de celle-ci. Par exemple, une personne qui transporte un sac n’effectue aucun travail, car la force appliquée par sa main est verticale alors que le déplacement du sac est horizontal (voir la figure 143). En somme, si une force est appliquée sur un objet et que celui-ci se déplace dans la même direction que la force appliquée ou qu’une composante de celle-ci, un travail est effectué. Par exemple, un travail est effectué lorsqu’une personne pousse sur un chariot d’épicerie, parce que le chariot se déplace et que son déplacement est dans la même direction que la force appliquée sur celui-ci.

Déplacement

F

Figure 143 La force appliquée et le déplacement ne sont pas dans la même direction : aucun travail n’est effectué. Section 6 Les transformations de l’énergie

143

6.1.1

Le calcul du travail

STE

SE

Le travail (W) correspond à la force (F) appliquée sur un corps lors de son déplacement (d). L’équation suivante traduit la relation entre le travail, la force et le déplacement.

W  Fd

W  Travail, exprimé en joules (J) F  Force, exprimée en newtons (N) d  Déplacement de l’objet, exprimé en mètres (m)



L’exemple A montre comment on peut utiliser cette équation. Exemple A Calculer le travail effectué sur un objet par une force de 20 N lors d’un déplacement de 4 m. La force est appliquée dans le même sens et dans la même direction que le déplacement de l’objet.

Données : F  20 N d4m W?

Calcul : W  Fd W  20 N  4 m W  80 J

6.1.2 STE

SE

Il arrive que la force appliquée sur un objet et le déplacement de celui-ci ne soient pas tout à fait dans la même direction. Dans ce cas, la force appliquée n’est pas parallèle au déplacement, mais forme plutôt un angle avec celui-ci. C’est le cas, par exemple, de la force appliquée sur un traîneau par une personne qui tire sur la corde avec un certain angle () par rapport à la direction du déplacement du traîneau (voir la figure 144).

F



Déplacement

Figure 144 La force appliquée forme un angle avec la direction du déplacement.

144

La force efficace et le travail

Chapitre 1 Univers matériel

Dans cet exemple, seule la composante de la force qui est parallèle à la direction du déplacement du traîneau est en mesure d’agir sur le traîneau. Cette composante est appelée « force efficace ». La force efficace est la composante d’une force qui est parallèle à la direction du déplacement d’un objet et qui produit le travail. Sa valeur dépend de l’angle avec lequel la force est appliquée. Plus l’angle est près de zéro, plus la force est appliquée de façon parallèle et plus la force efficace est grande.

Pour déterminer le travail d’une force F lorsque sa direction forme un angle avec la direction du déplacement d’un objet, on décompose cette force en deux composantes : la force efficace Feff, qui est parallèle à la direction du déplacement de l’objet, et une force F qui lui est perpendiculaire et qui n’effectue aucun travail (voir la figure 145).

F F

 Déplacement

Feff

Figure 145 La force efficace correspond à la composante de la force appliquée qui est parallèle au déplacement.

Branche de la mathé* Trigonométrie matique qui étudie les rapports entre les distances et les angles dans des triangles.

* permettent de calculer la valeur de la force

Les principes de la trigonométrie efficace.

Feff , alors : F Feff  F cos où cos 

Feff  Force efficace, exprimée en newtons (N) F  Force appliquée, exprimée en newtons (N)   Valeur de l’angle entre la direction de la force appliquée et la direction du déplacement

F cos est la force qui effectue un travail lorsque la force appliquée forme un angle avec la direction du déplacement.

L’équation W  Fd employée pour traduire la relation entre le travail, la force et le déplacement peut être ajustée pour tenir compte de la force efficace. En remplaçant F par Fcos dans W  Fd on obtient : W  Fcosd L’exemple B montre comment on peut utiliser cette équation. Exemple B Une personne tire un traîneau avec une force de 50 N. La corde sur laquelle elle tire forme un angle de 37° avec la direction du déplacement du traîneau. La personne fait parcourir une distance de 0,5 km au traîneau. Quelle est la valeur du travail effectué ?

Données : F  50 N   37° d  500 m W?

Calcul : W  F cosd W  (50 N  cos 37°)  500 m W  39,9 N  500 m W  19 965,8 J

REPÈRE

JAMES PRESCOTT JOULE Physicien et scientifique britannique (1818-1889) James Prescott Joule est le premier scientifique à décrire clairement le concept d’énergie. Élève de John Dalton (1766-1844), qui travaille sur le modèle atomique et l’électricité, Joule est reconnu pour avoir établi de façon expérimentale la loi de la conservation de l’énergie. Ses travaux sur l’électromagnétisme, l’électricité, l’énergie thermique et l’énergie mécanique en font un des scientifiques les plus influents de son époque. En reconnaissance de sa prolifique contribution scientifique, l’unité internationale de l’énergie et du travail, le joule, est nommée en son honneur.

Section 6 Les transformations de l’énergie

145

CONCEPT

6.2 La relation entre le travail et l’énergie STE SE

La relation entre le travail (W) et l’énergie (E) se traduit par l’équation W = E. Le travail correspond au processus de transfert d’énergie. Voir La relation entre le travail, la force, et le déplacement, p. 143.

Lorsqu’on effectue un travail sur un corps (un objet), par exemple lorsqu’on soulève une boîte, on utilise de l’énergie pour appliquer une force sur la boîte. Le déplacement de la boîte se produit grâce au transfert d’énergie entre la personne qui applique la force et la boîte elle-même (voir la figure 146).

Figure 146 Le déplacement de la boîte se produit grâce à un transfert d’énergie de la personne ves la boîte.

Voir La loi de la conservation de l’énergie, p. 152.

Selon la loi de la conservation de l’énergie, l’énergie se transforme d’une forme à une autre sans perte d’énergie. Dans l’exemple ci-dessus, l’énergie transférée à la boîte s’est transformée en une autre forme d’énergie, soit celle qui est responsable du déplacement de la boîte. Les concepts d’énergie et de travail sont étroitement liés, car le travail est défini comme un transfert d’énergie entre deux corps, deux objets ou deux systèmes (voir la figure 147).

Le travail est le processus de transfert d’énergie.

L’énergie est la capacité de faire un travail.

Figure 147 La relation entre le travail et l’énergie.

Le travail (W) correspond à la variation de l’énergie (E) d’un objet. L’équation suivante traduit la relation entre le travail et l’énergie.

W  E

146

Chapitre 1 Univers matériel



W  Travail, exprimé en joules (J) E  Variation de l’énergie de l’objet, exprimée en joules (J)

CONCEPT

6.3 La relation entre la masse et le poids STE

ATS

La relation entre la masse (m) et le poids (w ou Fg) se traduit par l’équation w = Fg = mg. La masse correspond à la quantité de matière contenue dans un corps alors que le poids correspond au produit de la masse d’un corps et de l’intensité du champ gravitationnel. Dans le langage courant, on a parfois tendance à confondre la masse et le poids. Pourtant, d’un point de vue scientifique, ces deux concepts sont très différents. La masse (m) d’un corps (un objet) correspond à la quantité de matière qu’il contient, c’est-à-dire à la quantité de particules (atomes ou molécules) présentes dans ce corps et à la nature de celles-ci. Dans le système international d’unités, la masse est exprimée en kilogrammes (kg). La masse d’un objet ne varie pas puisque la quantité de matière qu’il contient est constante, et ce, peu importe l’endroit où l’objet se trouve. Par exemple, un objet dont la masse est de 10 kg sur Terre aurait également une masse de 10 kg sur la planète Mars, ou encore en apesanteur. Le poids (w ou Fg) est la force gravitationnelle qui s’exerce sur un corps. Le poids étant une force, il s’exprime en newtons (N). Le poids d’un corps peut varier selon l’astre où il se trouve. Par exemple, un objet n’a pas le même poids sur Mars que sur Terre, car la force gravitationnelle n’y est pas la même. L’équation suivante permet de déterminer le poids d’un objet.

w  Fg  mg



Voir La force, p. 135.

w  Fg  Poids de l’objet, exprimé en newtons (N) m  Masse de l’objet, exprimée en kilogrammes (kg) g  Intensité du champ gravitationnel, dont la valeur moyenne est de 9,8 N/kg sur Terre

L’exemple suivant montre comment on peut utiliser cette équation. Exemple

a) Le bras canadien (voir la figure 148 ), dont les navettes spatiales sont équipées, possède une masse de 410 kg. Quel est son poids sur Terre ? Données : m  410 kg

Calcul : Fg  mg

g  9,8 N/kg

Fg  410 kg  9,8 N/kg

Fg  ?

Fg  4 018 N

Figure 148 Le bras canadien (Canadarm).

b) Quels seraient le poids et la masse du bras canadien sur la Lune, sachant que l’intensité du champ gravitationnel lunaire est de 1,6 N/kg? Données : m  410 kg

Calcul : Fg  mg(Lune)

g(Lune)  1,6 N/kg

Fg  410 kg  1,6 N/kg

Fg  ?

Fg  656 N

La masse du bras canadien sur la Lune est la même que sur Terre, soit 410 kg.

Section 6 Les transformations de l’énergie

147

CONCEPT

6.4 La relation entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse STE SE

La relation entre l’énergie cinétique (Ek), la masse (m) et la vitesse (v) se traduit par l’équation Ek = 12 mv2. L’énergie cinétique correspond à la moitié du produit de la masse et du carré de la vitesse d’un corps en mouvement. Voir La relation entre le travail, la force et le déplacement, p. 143.

Un corps (un objet) en mouvement a la capacité d’exercer une force qui peut effectuer un travail. Par exemple, au billard, lorsque la boule blanche frappe une autre boule, elle effectue un travail sur celle-ci, c’est-à-dire qu’elle lui transfère de l’énergie (voir la figure 149). L’énergie de la boule blanche, qui lui vient de sa masse et de son mouvement, se nomme « énergie cinétique ». L’énergie cinétique (Ek) dépend de la masse (m) et de la vitesse (v) de l’objet en mouvement. Plus l’objet est massif et se déplace rapidement, plus la quantité d’énergie cinétique qu’il possède est grande. L’équation suivante permet de déterminer l’énergie cinétique d’un corps en mouvement.

Ek 

1 mv 2 2



Ek  Énergie cinétique, exprimée en joules (J) m  Masse de l’objet, exprimée en kilogrammes (kg) v  Vitesse de l’objet, exprimée en mètres par seconde (m/s)

Les exemples suivants montrent comment on peut utiliser cette équation. Figure 149 Lorsqu’une boule de billard en mouvement entre en collision avec une autre, elle lui transfère son énergie cinétique. Dans cet exemple, l’énergie cinétique de la boule blanche est transférée d’une boule à l’autre jusqu’à la dernière boule, qui se met en mouvement.

Exemple A Quelle est l’énergie cinétique d’une boule de billard de 0,5 kg qui se déplace à 2 m/s ? Données :

v  2 m/s

Calcul : 1 Ek  mv 2 2 1 Ek   0,5 kg  (2 m/s) 2 2

Ek  ?

Ek  1 J

m  0,5 kg

Exemple B Quelle est l’énergie cinétique d’une boule de billard de 0,5 kg qui se déplace à 4 m/s ? Données :

v  4 m/s

Calcul : 1 Ek  mv 2 2 1 Ek   0,5 kg  (4 m/s)2 2

Ek  ?

Ek  4 J

m  0,5 kg

148

Chapitre 1 Univers matériel

Exemple C Quelle est l’énergie cinétique d’une boule de pétanque de 1 kg qui se déplace à 2 m/s ?

Données :

v  2 m/s

Calcul : 1 Ek  mv 2 2 1 Ek   1 kg  (2 m/s)2 2

Ek  ?

Ek  2 J

m  1 kg

L’énergie cinétique croît proportionnellement à la masse d’un objet. Ainsi, lorsque la masse d’un objet double, l’énergie cinétique de cet objet double également. Dans les exemples précédents, la boule de pétanque se déplace à la même vitesse que la boule de billard de 0,5 kg, mais elle est deux fois plus massive. C’est pourquoi son énergie cinétique est de 2 J, alors que celle de la boule de billard est de 1 J. Par ailleurs, l’énergie cinétique croît proportionnellement au carré de la vitesse. Ainsi, lorsque la vitesse d’un objet est doublée, l’énergie cinétique de cet objet est quadruplée. Dans les exemples précédents, les deux boules de billard ont la même masse, mais l’une se déplace deux fois plus rapidement que l’autre. La boule la plus rapide possède donc une énergie cinétique quatre fois plus grande que la boule la plus lente.

Le transfert d’énergie cinétique lors des accidents de la route Les accidents de la route mettent souvent en cause des véhicules qui roulent à des vitesses très grandes et dont l’énergie cinétique atteint des valeurs importantes. Lors d’un impact, une grande partie de l’énergie cinétique d’un véhicule est transférée à l’objet qu’il frappe. Cela explique l’importance des dommages qui peuvent être causés. Afin de protéger les passagers, les habitacles des véhicules modernes sont conçus pour absorber le plus d’énergie cinétique possible en se déformant à des endroits précis (voir la figure 150 ). Toutefois, malgré ces améliorations technologiques, la capacité des véhicules à absorber les chocs demeure limitée. Par exemple, un véhicule utilitaire abritant deux passagers a une masse d’environ 1 650 kg. À une vitesse de 50 km/h (environ 14 m/s), l’énergie cinétique de ce véhicule est d’environ 162 kilojoules (kJ), à 100 km/h (environ 28 m/s), elle est de 647 kJ, et à 120 km/h (environ 33 m/s), elle est de 898 kJ. Ainsi, l’énergie cinétique d’un véhicule en mouvement croît très rapidement avec la vitesse. Il n’est donc pas étonnant que la vitesse soit la variable la plus importante lors d’une collision.

Figure 150 Les habitacles des véhicules sont soumis à des tests afin de s’assurer que les déformations qu’ils subissent lors d’un impact ne mettent pas la vie des conducteurs ou des passagers en danger.

Section 6 Les transformations de l’énergie

149

CONCEPT

6.5 La relation entre l’énergie potentielle, la masse, l’accélération et le déplacement STE SE

La relation entre l’énergie potentielle (Ep), la masse (m), l’accélération (g) et le déplacement (h) se traduit par l’équation Ep = mgh. L’énergie potentielle gravitationnelle emmagasinée dans un corps correspond au produit de la masse, de l’intensité du champ gravitationnel et de la hauteur de ce corps par rapport à un point de référence. Lorsqu’une personne soulève un corps (un objet), elle applique une force de sens opposé à la force gravitationnelle. Un travail est alors effectué puisque l’objet est mis en mouvement dans la même direction que la force qui est appliquée. À mesure qu’il prend de la hauteur, l’objet emmagasine de l’énergie. Cette forme d’énergie, qui est emmagasinée dans un objet situé en hauteur par rapport à un point de référence, se nomme « énergie potentielle gravitationnelle ». Cette énergie est qualifiée de « potentielle » parce qu’elle peut devenir disponible, alors que l’énergie cinétique, elle, est déjà disponible.

Voir La relation entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse, p. 148.

L’énergie potentielle gravitationnelle est une énergie en réserve. Elle doit d’abord être transformée en une autre forme d’énergie avant de pouvoir effectuer un travail. Par exemple, dans un manège qui monte à la verticale, puis qui redescend en chute libre (voir la figure 151), le travail effectué pour élever la banquette et les passagers à une hauteur h est égal au gain d’énergie potentielle (si l’on ignore le frottement). Lorsque le manège redescend, son énergie potentielle se transforme en énergie cinétique. Au fur et à mesure que l’énergie potentielle se transforme en énergie cinétique, la descente du manège s’accélère.

Figure 151 Pendant la montée, le moteur du manège effectue un travail en transférant de l’énergie à la banquette et aux passagers sous forme d’énergie potentielle gravitationnelle. Cette énergie se transforme en énergie cinétique pendant la descente du manège.

EP  mgh

150

Chapitre 1 Univers matériel

L’énergie potentielle gravitationnelle (EP) emmagasinée dans un objet dépend de la masse (m), de l’intensité du champ gravitationnel (g) et de la hauteur (h) de l’objet par rapport à un point de référence. Généralement, le point de référence permettant d’évaluer la hauteur de l’objet, ou son déplacement, est le point le plus bas possible (il s’agit souvent du sol). L’équation suivante permet de déterminer l’énergie potentielle gravitationnelle d’un corps en mouvement.



EP  Énergie potentielle gravitationnelle, exprimée en joules (J) m  Masse de l’objet, exprimée en kilogrammes (kg) g  Intensité du champ gravitationnel, dont la valeur est de 9,8 N/kg sur Terre h  Hauteur de l’objet par rapport à un point de référence, exprimée en mètres (m)

L’exemple suivant montre comment on peut utiliser cette équation. Exemple

a) Dans un manège qui monte à la verticale, quelle est l’énergie potentielle gravitationnelle emmagasinée dans une banquette vide de 100 kg élevée à une hauteur de 10 m ? Données : m  100 kg

Calcul : EP  mgh

g  9,8 N/kg

EP  100 kg  9,8 N/kg  10 m

h  10 m

EP  9 800 J

EP  ? b) Dans le même manège, quelle est la masse d’une banquette avec passagers si l’énergie potentielle gravitationnelle emmagasinée est de 19 600 J et que la banquette se trouve à une hauteur de 10 m ? Données : EP  19 600 J

Calcul : E EP  mgh, alors : m  P gh

g  9,8 N/kg 19 600 J 9,8 N/kg  10 m

h  10 m

m

m?

m  200 kg

c) Toujours dans le même manège, quelle est l’énergie potentielle gravitationnelle emmagasinée dans une banquette vide de 100 kg qui se trouve à une hauteur de 20 m ? Données : m  100 kg

Calcul : EP  mgh

g  9,8 N/kg

EP  100 kg  9,8 N/kg  20 m

h  20 m

EP  19 600 J

EP  ? Comme l’exemple précédent permet de le constater, l’énergie potentielle gravitationnelle d’un objet croît proportionnellement à sa masse et à sa hauteur. Ainsi, lorsque la masse ou la hauteur d’un objet double, son énergie potentielle gravitationnelle double également.

La hauteur de chute La hauteur de chute est l’un des éléments les plus importants pour la conception de centrales hydroélectriques à réservoir. En effet, la hauteur d’un barrage détermine en bonne partie la quantité d’énergie cinétique que l’eau peut transférer aux turbines de la centrale. Généralement, plus la hauteur de chute est élevée, plus la puissance des turbines est grande. En conséquence, la conception de barrages hydroélectriques en hauteur vise autant à permettre la création d’un grand réservoir qui assure un débit d’eau relativement constant dans les turbines, qu’à établir une hauteur de chute adéquate pour les turbines.

Section 6 Les transformations de l’énergie

151

CONCEPT

6.6 La loi de la conservation de l’énergie ST

STE

ATS

Selon la loi de la conservation de l’énergie, l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais seulement transformée d’une forme à une autre. L’énergie existe sous de nombreuses formes dans l’Univers : rayonnante, thermique, chimique, électrique, etc. Chaque forme d’énergie peut être transformée en une autre forme d’énergie. L’énergie peut également être transférée d’un endroit à un autre. Sur un voilier, par exemple, lorsque l’énergie solaire est captée par un panneau solaire, elle est transformée en énergie électrique (voir la figure 152). Celle-ci est ensuite transférée aux différents instruments de navigation pour leur permettre de fonctionner. Selon la loi de la conservation de l’énergie, cette succession de transformations et de transferts se produit sans perte d’énergie, à condition toutefois que le système soit isolé. Un système isolé est un système qui n’échange ni matière ni énergie avec son environnement. À l’exception de l’Univers, lorsqu’il est considéré dans son ensemble, il n’existe pas de véritable système isolé. Cependant, on peut quand même utiliser la loi de la conservation de l’énergie pour étudier les transformations et les tranferts d’énergie.

Panneaux solaires

Figure 152 À l’aide d’un panneau solaire, l’énergie rayonnante du Soleil est transformée en énergie électrique. Celle-ci est transférée aux instruments de navigation, qui la transforment à leur tour.

Em  Ep  Ek



Par exemple, la loi de la conservation de l’énergie permet d’étudier ce qui se produit dans le cas de l’énergie mécanique, c’est-à-dire l’énergie en lien avec le mouvement. L’énergie mécanique est la somme de l’énergie potentielle et de l’énergie cinétique que possède un système. L’équation suivante traduit la relation qui existe entre ces formes d’énergie.

Em Énergie mécanique, exprimée en joules (J) Ep  Énergie potentielle, exprimée en joules (J) Ek  Énergie cinétique, exprimée en joules (J)

Selon cette relation, toute diminution de l’énergie potentielle d’un système doit être compensée par une augmentation de son énergie cinétique, de façon à ce que l’énergie mécanique totale soit conservée (l’énergie ne faisant que se transformer). La situation d’un planchiste qui exécute un parcours en demi-lune dans une station de ski peut être considérée comme un système où l’énergie mécanique est en jeu. De plus, si l’on tient pour acquis qu’il n’y a aucun frottement durant le parcours du planchiste, on peut considérer qu’il s’agit d’un système isolé, c’està-dire dans lequel l’énergie mécanique demeure constante. Ainsi, avant de s’élancer au sommet de son parcours, le planchiste est immobile. À ce moment, son énergie cinétique est minimale alors que son énergie potentielle est maximale. Dès qu’il commence à dévaler la pente, son énergie potentielle se transforme en énergie cinétique. Au moment où il arrive au point le plus bas de la demi-lune, son énergie potentielle est minimale et son énergie cinétique est maximale. Il remonte alors la paroi opposée de la demi-lune et son énergie

152

Chapitre 1 Univers matériel

cinétique diminue au profit de son énergie potentielle. Puis, au sommet de sa figure aérienne, son énergie potentielle est à nouveau maximale, et ainsi de suite (voir la figure 153).

Selon la loi de la conservation de l’énergie, un système isolé ne s’arrête jamais. Dans un tel système, toutes les transformations de l’énergie se feraient sans perte. Certains inventeurs ont proposé des prototypes de ce système. Ces prototypes portent le nom de « machines à mouvement perpétuel » ou « machines parfaites » (voir la figure 154 ).

Ep maximale

Ek minimale

Ep Em Ek

Le mouvement perpétuel n’existe pas

Ep

Ek Ep

Ek

Figure 153 L’énergie potentielle maximale est emmagasinée dans le planchiste au sommet de sa figure. Cette énergie se transforme en énergie cinétique, qui devient maximale au point le plus bas de la demi-lune, et ainsi de suite.

Tout le long de cette série de transformations, c’est la conservation de l’énergie mécanique qui permet au planchiste d’effectuer plusieurs boucles. Toutefois, comme il n’existe pas de système parfaitement isolé, le planchiste finira tôt ou tard par s’arrêter en raison du frottement.

La « machine parfaite » conserverait son énergie en utilisant sa propre énergie. Évidemment, cela est impossible. Cependant, la réduction des frottements et des pertes d’énergie est un objectif qu’il est fort utile de tenter d’atteindre dans plusieurs domaines, par exemple le transport.

Le freinage à récupération d’énergie Qu’il soit hybride ou non, un véhicule ne constitue pas un système isolé. Ainsi, quand les freins sont appliqués, l’énergie cinétique est transformée en énergie thermique en raison du frottement des freins sur les roues. Cette énergie thermique est transférée à l’environnement sous forme de chaleur. Des ingénieurs ont conçu un système de freinage à récupération d’énergie qui permet aux moteurs électriques des véhicules de récupérer de l’énergie cinétique lors du freinage (voir la figure 155). L’énergie cinétique ainsi récupérée est emmagasinée sous forme d’énergie électrique, qui peut ensuite être utilisée pour propulser le véhicule ou pour alimenter ses accessoires. Cette technologie est basée sur la loi de la conservation de l’énergie. Selon les fabricants de véhicules hybrides, l’augmentation de l’efficacité énergétique résultant du freinage à récupération peut atteindre 30 %.

Figure 154 Un prototype d’une machine à mouvement perpétuel, ou « machine parfaite ».

Figure 155 Un système de freinage à récupération d’énergie.

Section 6 Les transformations de l’énergie

153

CONCEPT

6.7 Le rendement énergétique

ST

STE

ATS

Le rendement énergétique d’une machine ou d’un système est le pourcentage de l’énergie consommée qui a été transformé en énergie utile. Voir La loi de la conservation de l’énergie, p. 152.

Énergie thermique ~95 %

Énergie lumineuse ~5 %

a) Une ampoule à incandescence.

Énergie thermique ~80 %

Énergie lumineuse ~20 %

Les machines sont employées pour transformer certaines formes d’énergie en d’autres formes plus utiles. Selon la loi de la conservation de l’énergie, l’énergie totale est toujours conservée. Toutefois, dans une machine ou dans un système, la quantité d’énergie utilisée pour effectuer un travail ne représente qu’une fraction de la quantité d’énergie consommée. Le reste de l’énergie consommée est transformé en d’autres formes d’énergie ou est dissipé dans l’environnement. Par exemple, une ampoule à incandescence est conçue pour transformer de l’énergie électrique en lumière. Or, seulement 5 % de l’énergie électrique consommée par l’ampoule est transformée en énergie lumineuse utile, alors que 95 % de l’énergie consommée est transformée en chaleur. Le taux de rendement de l’ampoule à incandescence est donc de 5 %. En comparaison, le taux de rendement d’une ampoule fluorescente est de 20 % (voir la figure 156). Dans le cas d’une voiture propulsée par un moteur à essence, environ 14 % de l’énergie chimique contenue dans le carburant est utilisée pour le déplacement du véhicule (voir la figure 157). Le reste est transformé en chaleur en raison du frottement des pièces du moteur. Cette chaleur est évacuée en grande partie dans l’environnement par le système de refroidissement. Système d’échappement (33 %)

Système de refroidissement et de chauffage (33 %)

b) Une ampoule fluorescente.

Figure 156 Le rendement énergétique d’une ampoule. Transmission (10 %) Accessoires (4 %)

Énergie utile qui propulse la voiture vers l’avant (14 %)

Friction interne (6 %)

Figure 157 Environ 14 % de l’énergie consommée par le moteur à essence d’une automobile sert à son déplacement.

Le rendement énergétique correspond au rapport, exprimé en pourcentage (%), entre la quantité d’énergie utile et la quantité d’énergie consommée. L’équation suivante permet de déterminer le rendement énergétique d’un système. Rendement énergétique 

154

Chapitre 1 Univers matériel

Quantité d’énergie utile (J)  100 Quantité d’énergie consommée (J)

L’exemple suivant montre comment on peut utiliser cette équation. Exemple L’élément chauffant d’une cuisinière électrique a fourni 2 000 J à une casserole pour faire bouillir de l’eau. Si l’eau n’a absorbé que 500 J d’énergie thermique, quel est le rendement énergétique de ce système ?

Données :

Calcul :

Quantité d’énergie utile  500 J

Rendement énergétique 

Quantité d’énergie consommée  2 000 J

Quantité d’énergie utile (J)  100 Quantité d’énergie consommée (J) 500 J Rendement énergétique   100 2 000 J

Rendement énergétique  ?

Rendement énergétique  25 %

La production et la surconsommation de viande Une chaîne alimentaire est un système alimenté par l’énergie solaire. Au début de la chaîne, les producteurs (végétaux) captent cette énergie et en convertissent une partie en énergie chimique grâce au phénomène de la photosynthèse. L’énergie chimique est ensuite transformée en énergie utile pour le processus de respiration cellulaire. Le rendement énergétique de la photosynthèse et de la respiration cellulaire est de l’ordre de 30 %. De plus, à chaque étape de la chaîne alimentaire, seulement 10 % de l’énergie disponible est utilisée de façon efficace. Une quantité importante d’énergie est donc perdue. C’est pour cette raison que, dans un écosystème, la biomasse est généralement plus élevée à la base de la chaîne alimentaire qu’à son sommet. Dans un écosystème, il y a donc beaucoup plus de producteurs (végétaux) que de consommateurs (animaux).

Voir La dynamique des écosystèmes, p. 377.

Voir La dynamique des écosystèmes, p. 378.

Ces considérations énergétiques s’appliquent aussi aux écosystèmes agricoles, quel que soit leur degré d’industrialisation. Ainsi, pour produire une certaine quantité de viande, il faut beaucoup plus d’énergie que pour produire la même quantité de légumes ou de céréales (voir la figure 158). Le rendement énergétique de la production de viande est donc inférieur à celui des céréales ou des légumes. La chaîne alimentaire de la production de viande est plus longue, c’est pourquoi il y a plus de pertes d’énergie. Avec la croissance de la population mondiale, la surconsommation de viande devient de plus en plus problématique dans la mesure où la surface de terres agricoles et les ressources énergétiques sont limitées.

Figure 158 Le rendement énergétique de l’élevage de bœufs est moins élevé que le rendement énergétique de la culture de légumes ou de céréales.

Section 6 Les transformations de l’énergie

155

CONCEPT

6.8 La distinction entre chaleur et température ST STE ATS

La température est une mesure du degré d’agitation des atomes et des molécules. La chaleur est un transfert d’énergie entre deux systèmes de températures différentes. L’énergie thermique est une forme d’énergie que possède une substance en raison de l’agitation de ses particules (atomes ou molécules). Elle dépend de la quantité de particules (masse) contenues dans la substance et du degré d’agitation (température) de celles-ci. Plus l’agitation des particules est grande, plus la température est élevée. En outre, plus la quantité de particules et la température d’une substance sont élevées, plus la substance contient de l’énergie thermique. Par exemple, 200 g d’eau à 75 °C contiennent plus d’énergie thermique que 100 g d’eau à 75 °C. De même, 100 g d’eau à 75 °C contiennent plus d’énergie thermique que 100 g d’eau à 25 °C, car l’agitation des molécules est plus grande lorsque la température de l’eau est plus élevée (voir la figure 159).

75 °C

75 °C

200 g 100 g

Et > Et

75 °C 25 °C 100 g

100 g

Et > Et

Figure 159 La quantité d’énergie thermique (Et ) contenue dans une substance dépend de la masse et de la température de celle-ci.

Lorsque deux substances de températures différentes sont mises en contact, l’énergie thermique est transférée de la substance dont la température est la plus élevée à la substance dont la température est la plus basse, et ce, jusqu’à ce que les deux substances aient la même température. Ce transfert d’énergie thermique est appelé « chaleur ». La chaleur est donc la forme que prend l’énergie thermique lorsqu’elle est transférée d’un système à un autre. La chaleur passe toujours du système ayant la température la plus élevée au système ayant la température la plus basse. Par exemple, si l’on plonge un pot d’eau, dont la température est de 85 °C, dans un seau d’eau, dont la température est de 20 °C, l’énergie thermique sera transférée de l’eau du pot vers l’eau du seau jusqu’à ce que les deux volumes d’eau aient la même température.

156

Chapitre 1 Univers matériel

CONCEPT

6.9 La relation entre l’énergie thermique, la capacité thermique massique, la masse et la variation de température STE

SE

La relation entre l’énergie thermique (Q), la capacité thermique massique (c), la masse (m) et la variation de température (T) se traduit par l’équation Q = mcT. La variation de l’énergie thermique d’une substance correspond au produit de la masse, de la capacité à emmagasiner de la chaleur et de la variation de température de cette substance. L’énergie thermique emmagasinée dans une substance ne dépend pas seulement de la masse et de la température de celle-ci. Elle dépend aussi de la nature de la substance. Par exemple, lorsque deux quantités égales d’eau et d’huile sont chauffées dans les mêmes conditions, la température de l’huile augmente plus que celle de l’eau. À masse égale, l’huile nécessite donc moins de chaleur que l’eau pour que sa température augmente de 1 °C. Cette propriété de la matière est appelée « capacité thermique massique ». La capacité thermique massique correspond à la quantité d’énergie thermique qu’il faut transférer à un gramme de substance pour augmenter sa température de 1 °C. Elle s’exprime en J/g °C. La capacité thermique massique est une propriété physique caractéristique de la matière (voir le tableau 18).

Tableau 18 La capacité thermique massique de quelques substances Substances

Capacité thermique massique (J/g °C)

Aluminium

0,90

Argent

0,24

Calcium

0,65

Cuivre

0,39

Eau

4,19

Fer

0,44

À titre d’exemple, la capacité thermique massique de l’eau est de 4,19 J/g °C, tandis que celle du béton est de 2,1 J/g °C. Cela signifie qu’il faut transférer 4,19 J d’énergie thermique à un gramme d’eau pour que sa température s’élève de 1 °C, alors qu’il suffit de 2,1 J d’énergie thermique pour qu’un gramme de béton fasse de même. Cela explique en partie pourquoi, sur le bord d’une piscine en béton exposée au soleil, la température du béton est plus élevée que celle de l’eau de la piscine, et ce, même si le soleil a transféré la même quantité de chaleur au béton et à l’eau.

Glace

2,01

Magnésium

1,02

Nickel

0,44

Plomb

0,16

Soufre

0,73

Zinc

0,39

La variation d’énergie thermique (ET) subie par une substance correspond à la quantité de chaleur (Q) qui est impliquée dans le transfert. La quantité de chaleur dépend de la masse (m), de la capacité thermique massique (c) et de la variation de température de la substance (T). L’équation suivante permet de déterminer la quantité de chaleur requise pour faire augmenter la température d’une substance.

Éthylène glycol

2,20

Béton

2,10

Q  mcT



Q  Quantité de chaleur, exprimée en joules (J) m  Masse de la substance, exprimée en grammes (g) c  Capacité thermique massique, exprimée en joules par gramme degré Celsius (J/g °C) T  Variation de la température, exprimée en degrés Celsius (°C) (T  Tfinale – Tinitiale)

Lorsque la variation de température est positive, cela signifie que la substance a absorbé de la chaleur au cours du transfert. Lorsque la variation de température est négative, cela signifie que la substance a dégagé de la chaleur dans son environnement ou qu’elle l’a transférée à une autre substance.

Section 6 Les transformations de l’énergie

157

Les exemples suivants montrent comment on peut utiliser cette équation. Exemple A

Exemple B

Calculer la quantité de chaleur en jeu lors du transfert d’énergie qui fait passer 200 g d’eau d’une température de 20 °C à une température de 40 °C et indiquer si la chaleur est absorbée ou dégagée par l’eau. (La capacité thermique massique de l’eau est de 4,19 J/g °C.)

Calculer la quantité de chaleur en jeu lors du transfert d’énergie qui fait passer 100 g d’eau d’une température de 70 °C à une température de 25 °C et indiquer si la chaleur est absorbée par l’eau ou dégagée dans l’environnement. Données :

Calcul :

Données :

Calcul :

m  100 g

Q  mcT

m  200 g

Q  mct Q  200 g  4,19 J/g °C  20 °C

ceau  4,19 J/g °C

Q  100 g  4,19 J/g °C  –45°C

ceau  4,19 J/g °C T  Tfinale  Tinitiale  (40 – 20) °C  20 °C

Q  16 760 J

Q?

Q  16 760 J de chaleur absorbée (la valeur de t et du résultat du calcul est positive)

T  Tfinale  Tinitiale Q  18 855 J  (25 – 70)°C  –45 °C Q?

Q  –18 855 J de chaleur dégagée (la valeur de T et du résultat du calcul est négative)

L’influence des océans sur les climats maritime et continental Voir Le flux d’énergie émis par le Soleil, p. 232.

La quantité d’énergie solaire, ou l’insolation, reçue par unité de surface sur Terre varie durant l’année. À une même latitude, le climat des régions côtières est différent de celui des régions continentales, où les écarts de température sont généralement plus importants. Ce phénomène s’explique par le fait que les mers et les océans (de gigantesques masses d’eau) possèdent une capacité thermique massique beaucoup plus élevée que les continents.

Figure 160 a Le climat de la région côtière de l'est du Canada bénéficie de la proximité de l'océan Atlantique. Les températures moyennes y varient d'environ 6 °C en hiver à 18 °C en été, pour une moyenne annuelle de 5,5 °C.

Figure 160 b La région continentale du Manitoba, au centre du Canada, présente des températures moyennes qui varient d'environ 18 °C en hiver à 20 °C en été, pour une moyenne annuelle de 2,6 °C.

158

Chapitre 1 Univers matériel

Dans les régions côtières, les océans atténuent donc les variations de température atmosphérique, car ils ralentissent le réchauffement et le refroidissement en absorbant puis en libérant de l’énergie thermique. Les terres continentales ne possèdent pas une telle capacité thermique massique. C’est pourquoi les écarts de températures sont généralement plus grands au centre de l’Amérique du Nord que sur ses côtes (voir les figures 160 a et 160 b). En raison du réchauffement climatique, une hausse de seulement quelques dixièmes de degrés de la température moyenne des océans aurait un impact important sur les climats de la planète. De plus, le réchauffement des océans provoquerait une hausse du niveau de la mer.

La capacité thermique massique et le chauffage Il est relativement facile de chauffer l’air d’une habitation à partir de l’énergie rayonnante du Soleil ou d’un foyer au bois. L’énergie thermique que ces deux sources de chaleur transfèrent peut d’ailleurs être maximisée à l’aide de certains procédés. Un des procédés permettant d’améliorer le rendement de l’énergie rayonnante du Soleil consiste à utiliser des panneaux solaires pour chauffer un fluide, par exemple de l’eau, dont la capacité thermique massique est élevée (voir la figure 161). L’énergie thermique absorbée par ce fluide peut être conservée dans des réservoirs qui assurent une isolation thermique. L’énergie thermique ainsi emmagasinée peut être transférée plus tard sous forme de chaleur. Ce procédé est très utile dans un contexte où les périodes d’ensoleillement et l’intensité du rayonnement solaire varient selon les conditions météorologiques et les saisons.

Figure 161 Une habitation utilisant des panneaux solaires.

Un des procédés permettant d’améliorer le rendement d’un foyer au bois consiste à construire un foyer de pierre ou de brique appelé « foyer de masse » (voir la figure 162). C’est la capacité thermique massique élevée de la pierre ou de la brique utilisée dans un foyer de masse qui sert de « réservoir de chaleur ». Au départ, il faut beaucoup de temps pour chauffer la masse du foyer. Puis, au bout de quelques heures, une température optimale est atteinte et le foyer dégage une énergie rayonnante qui chauffe l’habitation de façon constante. Ce type de foyer, qui permet la combustion presque complète du bois, constitue une source de chauffage peu polluante et au rendement énergétique élevé. Comme pour tous les systèmes de chauffage, ces procédés doivent être employés avec des systèmes d’isolation thermique et de ventilation performants.

Figure 162 Un foyer de masse. Section 6 Les transformations de l’énergie

159

Pour faire le point

SECTION

La relation entre le travail, la force et le déplacement STE SE (pages 143 à 145) 1. Quelles sont les trois conditions qui doivent être respectées pour qu’un travail soit effectué sur un corps ? 2. Une personne pousse une chaise avec une force de 25 N appliquée horizontalement sur une distance de 3 m. Quel travail est effectué sur la chaise ? 3. Quelle distance horizontale sera parcourue par un chariot si un travail de 1 200 J est effectué en appliquant une force moyenne de 2 500 N ?

6

Les transformations de l’énergie

7. Une personne monte sur un pèse-personne et celuici affiche 80 kg. a) S’agit-il de la masse ou du poids de cette personne ? b) Si ce pèse-personne était utilisé par la même personne sur la planète Mars, afficherait-il le même nombre ? Expliquez votre réponse. 8. a) Calculez le poids du télescope Hubble sur Terre, en sachant que sa masse est de 12 000 kg. b) Quel serait le poids du télescope Hubble à la surface de la Lune (g (Lune)  1,6 N/kg) ?

4. Une personne applique une force de 200 N avec un angle de 15° par rapport à l’horizontale pour pousser une tondeuse sur une distance de 200 m. Quel travail cette force effectue-t-elle ? F = 200 N

La relation entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse STE SE (pages 148 et 149) 9. Quelle est l’énergie cinétique d’une balle de golf de 45 g qui se déplace : a) à 70 m/s ? b) à 45 m/s ?

La relation entre le travail et l’énergie SE

STE

(page 146)

SE

5. Une voiture A entre en collision avec une voiture B qui est immobile. Au moment de l’impact, la voiture A s’immobilise et la voiture B est mise en mouvement sur une certaine distance. a) Quelle voiture effectue un travail sur l’autre ? b) Qu’est-ce qui permet à la voiture B de se mettre en mouvement ?

La relation entre la masse et le poids ATS

(page 147)

6. a) Qu’est-ce que la masse ? b) Qu’est-ce que le poids ?

160

Chapitre 1 Univers matériel

La relation entre l’énergie potentielle, la masse, l’accélération et le déplacement

STE

STE

(pages 150 et 151)

10. Une personne soulève à partir du sol une boîte de 8 kg et la dépose sur le dessus d’une table de 1,5 m de hauteur. Quelle est l’énergie potentielle emmagasinée dans la boîte une fois qu’elle est déposée sur la table ? 11. Un plongeur de 65 kg est sur un tremplin. Le tremplin est situé à 10 m de la surface de l’eau contenue dans un bassin de 5 m de profondeur. Quelle énergie potentielle est emmagasinée dans le plongeur : a) par rapport à la surface de l’eau ? b) par rapport au fond du bassin ?

La loi de la conservation de l’énergie STE

ATS

ST

(pages 152 et 153)

12. Qu’est-ce que la loi de la conservation de l’énergie ? 13. Une pierre tombe du haut d’une falaise de 54 m de hauteur. En ne tenant pas compte du frottement, déterminez si les énergies cinétique et potentielle sont maximales, nulles ou équivalentes : a) lorsque la pierre est en haut de la falaise ? b) lorsque la pierre est à une hauteur de 27 m durant sa chute ?

Le rendement énergétique

ST

STE

ATS

(pages 154 et 155)

14. Qu’est-ce que le rendement énergétique ? 15. a) Quel est le rendement énergétique d’une grue qui consomme 15 250 J pour effectuer un travail de 3 500 J ? b) Quel est le rendement énergétique d’un tracteur qui consomme 20 000 J pour soulever une pierre de 200 kg à une hauteur de 3 m ?

La relation entre l’énergie thermique, la capacité thermique massique, la masse et la variation de température STE SE (pages 157 à 159)

18. Qu’est-ce que la capacité thermique massique ? 19. La capacité thermique massique de l’eau est de 4,19 J/g °C. Calculez la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 30 °C la température de 240 g d’eau. 20. La capacité thermique massique de l’eau est de 4,19 J/g °C et celle du cuivre est de 0,39 J/g °C. Si l’on chauffe 10 g d’eau et 10 g de cuivre à 25 °C : a) laquelle des deux substances emmagasinera le plus d’énergie thermique ? Justifiez votre réponse. b) laquelle des deux substances verra sa température augmenter le plus rapidement ?

La distinction entre chaleur et température ST

STE

ATS

(page 156)

16. a) Qu’est-ce que la température ? b) Qu’est-ce que la chaleur ? 17. Une bouilloire A contient 1 kg d’eau à 100 °C et une bouilloire B contient 1 kg d’eau à 90 °C. Indiquez si les énoncés suivants sont vrais ou faux. Si un énoncé est faux, reformulez-le afin qu’il traduise correctement la situation. a) Si l’on plonge la bouilloire B dans un bac d’eau à 20 °C, elle transférera plus d’énergie thermique à l’eau du bac que ne le ferait la bouilloire A. b) Si l’on plonge la bouilloire A dans un bac d’eau à 20 °C, l’énergie thermique sera transférée de l’eau du bac vers celle de la bouilloire. c) Si l’on mélange l’eau de la bouilloire A avec celle de la bouilloire B, la température de l’eau sera la même que celle de la bouilloire A.

Section 6 Les transformations de l’énergie

161

SECTION

6

Les transformations de l’énergie

La relation entre le travail, la force et le déplacement

STE

SE

• Trois conditions doivent être respectées pour qu’un travail soit effectué sur un corps (un objet) : – l’objet doit se déplacer ; – une force doit être appliquée sur l’objet ; – le déplacement de l’objet doit être dans la même direction que la force appliquée sur l’objet ou qu’une composante de celle-ci. • L’équation suivante traduit la relation entre le travail, la force et le déplacement.

W  Fd



W  Travail, exprimé en joules (J) F  Force, exprimée en newtons (N) d  Déplacement de l’objet, exprimé en mètres (m)

• La force efficace est la composante d’une force appliquée qui est parallèle au déplacement d’un objet et qui produit le travail. • On calcule la force efficace (Feff) en multipliant la force appliquée (F) par le cosinus de l’angle  formé entre la direction de la force appliquée et la direction du déplacement : Feff  Fcos.

La relation entre le travail et l’énergie

STE

F F

 Déplacement

Feff

SE

• Le travail correspond à un processus de transfert d’énergie. Ce transfert d’énergie correspond à la variation de l’énergie d’un objet. • L’équation suivante traduit la relation entre le travail et l’énergie.

W  E



W  Travail, exprimé en joules (J) E  Variation de l’énergie d’un objet, exprimée en joules (J)

La relation entre la masse et le poids

STE

ATS

• La masse correspond à la quantité de matière contenue dans un corps. • Le poids correspond au produit de la masse d’un corps et de l’intensité du champ gravitationnel. • L’équation suivante permet de déterminer le poids d’un corps.

w  Fg  mg

162



Chapitre 1 Univers matériel

w  Fg  Poids de l’objet, exprimé en newtons (N) m  Masse de l’objet, exprimée en kilogrammes (kg) g  Intensité du champ gravitationnel, dont la valeur est de 9,8 N/kg sur Terre

La relation entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse

STE

SE

• L’énergie cinétique correspond au produit de la masse et du carré de la vitesse d’un corps en mouvement. • L’équation suivante permet de déterminer l’énergie cinétique d’un corps en mouvement.

Ek 

1 mv 2 2



Ek  Énergie cinétique, exprimée en joules (J) m  Masse de l’objet, exprimée en kilogrammes (kg) v  Vitesse de l’objet, exprimée en mètres par seconde (m/s)

• L’énergie cinétique croît proportionnellement à la masse d’un objet et elle croît proportionnellement au carré de la vitesse.

La relation entre l’énergie potentielle, la masse, l’accélération et le déplacement STE SE • L’énergie potentielle gravitationnelle emmagasinée dans un corps correspond au produit de la masse, de l’intensité du champ gravitationnel et de la hauteur de ce corps par rapport à un point de référence. • L’équation suivante permet de déterminer l’énergie potentielle gravitationnelle d’un corps en mouvement.

EP  mgh



EP  Énergie potentielle gravitationnelle, exprimée en joules (J) m  Masse de l’objet, exprimée en kilogrammes (kg) g  Intensité du champ gravitationnel, dont la valeur est de 9,8 N/kg sur Terre h  Hauteur de l’objet par rapport à un point de référence, exprimée en mètres (m)

La loi de la conservation de l’énergie

ST

STE

ATS

• Selon la loi de la conservation de l’énergie, l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais seulement transformée d’une forme à une autre. • Un système isolé est un système qui n’échange ni matière ni énergie avec son environnement. • L’énergie mécanique est la somme de l’énergie potentielle et de l’énergie cinétique que possède un système. L’équation suivante traduit la relation qui existe entre ces formes d’énergie.

Em  Ep  Ek



Em Énergie mécanique, exprimée en joules (J) Ep  Énergie potentielle, exprimée en joules (J) Ek  Énergie cinétique, exprimée en joules (J)

Section 6 Les transformations de l’énergie

163

Le rendement énergétique

ST

STE

ATS

• Le rendement énergétique d’une machine ou d’un système est le pourcentage de l’énergie consommée qui a été transformé en énergie utile. • L’équation suivante permet de déterminer le rendement énergétique d’un système. Rendement énergétique 

Quantité d’énergie utile (J)  100 Quantité d’énergie consommée (J)

La distinction entre chaleur et température

ST

STE

ATS

• La température est une mesure du degré d’agitation des atomes et des molécules. • La chaleur est un transfert d’énergie entre deux systèmes de températures différentes. • L’énergie thermique est une forme d’énergie que possède une substance en raison de l’agitation de ses particules (atomes ou molécules). • Lorsque deux substances de températures différentes sont mises en contact, l’énergie thermique est transférée de la substance dont la température est la plus élevée à la substance dont la température est la plus basse, et ce, jusqu’à ce que les deux substances aient la même température.

La relation entre l’énergie thermique, la capacité thermique massique, la masse et la variation de température STE SE • La variation de l’énergie thermique d’une substance correspond au produit de la masse, de la capacité à emmagasiner de la chaleur et de la variation de température de cette substance. • La capacité thermique massique correspond à la quantité d’énergie thermique qu’il faut transférer à un gramme de substance pour augmenter sa température de 1 °C. C’est une propriété physique caractéristique de la matière. • La variation de l’énergie thermique (Et) subie par une substance correspond à la quantité de chaleur (Q) qui est impliquée dans le transfert. • L’équation suivante permet de déterminer la quantité de chaleur requise pour faire augmenter la température d’une substance. Q  mcT

164



Chapitre 1 Univers matériel

Q  Quantité de chaleur, exprimée en joules (J) m  Masse de la substance, exprimée en grammes (g) c  Capacité thermique massique, exprimée en joules par gramme degré Celsius (J/g °C) T  Variation de la température, exprimée en degrés Celsius (°C) (T  Tfinale  Tinitiale)

SECTION

U

n fluide est une substance sans forme précise qui a la capacité de s’écouler dans toutes les directions. Tous les liquides et tous les gaz sont des fluides. En revanche, tous les fluides n’ont pas les mêmes propriétés physiques. Par exemple, certains fluides visqueux comme l’huile s’écoulent lentement. D’autres, comme l’eau, s’écoulent plus rapidement. De plus, la masse volumique des fluides varie grandement.

7

Les fluides

7.1 7.2 7.3

Le principe d’Archimède . . . . . . . . . . 166 ATS

Le principe de Pascal . . . . . . . . . . . . . 168 ATS

Le principe de Bernoulli . . . . . . . . . . 170 ATS

De nombreux procédés et systèmes technologiques mettent à profit les différentes propriétés et le comportement des fluides. Ainsi, les systèmes hydrauliques (comme on en trouve dans les pelles mécaniques ou les ponts élévateurs pour soulever les voitures dans les garages) sont des applications technologiques des fluides. Par ailleurs, le comportement des fluides permet de comprendre les principes qui régissent l’aérodynamisme des voitures et des avions ainsi que la flottabilité des bateaux. Dans cette section, vous approfondirez vos connaissances de trois principes qui décrivent le comportement des fluides.

165

CONCEPT

7.1 Le principe d’Archimède

ATS

Selon le principe d’Archimède, tout corps introduit dans un fluide subit une poussée vers le haut qui est proportionnelle au poids du fluide qu’il déplace.

Instrument de mesure * Dynamomètre de l’intensité de la force.

OUTIL

Figure 163 Des astronautes en entraînement dans une piscine. La manipulation d’objets dans l’eau permet de simuler le comportement de ces objets une fois dans l’espace, en apesanteur.

11.3

La détermination de la masse volumique

Voir L’équilibre de deux forces, p. 137.

En général, les objets semblent moins lourds lorsqu’ils sont immergés dans un fluide comme l’eau (voir la figure 163). On peut d’ailleurs constater ce phénomène en suspendant un objet à un dynamomètre et en comparant la force exercée lorsque l’objet est hors de l’eau et lorsqu’il est immergé (voir la figure 164).

*

Le savant grec Archimède a mis ce phénomène en évidence alors qu’il était conseiller à la cour du roi Hiéron II de Syracuse (vers 265 av. J.-C.). Selon la légende, le roi a un jour donné une certaine quantité d’or à son orfèvre pour qu’il en fasse une F = 7,5 N F = 1,5 N couronne. Soupçonnant l’orfèvre d’avoir remplacé une partie de l’or par un autre métal, il demande à Archimède de vérifier la pureté de la couronne sans toutefois l’endommager. C’est en se rendant au bain public pour réfléchir à ce problème qu’Archimède trouve la solution, en remarquant que le niveau d’eau du bain augmente lorsqu’il y entre. Il comprend ainsi que l’immersion d’un corps dans l’eau déplace une quantité d’eau identique au volume de ce Figure 164 L’intensité de la force indiquée sur un corps. C’est le principe du vase dynamomètre est plus faible lorsqu’un objet est immergé à trop-plein qu’on utilise de nos dans l’eau. jours pour mesurer le volume d’un solide irrégulier. Ainsi, en mesurant la masse et le volume exacts de la couronne, Archimède a calculé sa masse volumique et démontré que la couronne n’était pas faite d’or massif. La masse volumique de la couronne était inférieure à celle de l’or pur.

7.1.1

La poussée d’Archimède

ATS

Un fluide exerce une force sur les objets qui y sont introduits. On appelle cette force la « poussée d’Archimède ». En effet, dans un fluide comme l’eau, la pression augmente avec la profondeur. Ainsi, la pression que l’eau exerce à la base d’un objet immergé est plus grande que la pression qu’elle exerce sur sa surface supérieure, alors qu’horizontalement les pressions à une même profondeur s’annulent (voir la figure 165 à la page suivante). La force résultante sur l’objet immergé est donc une poussée ascendante appelée « poussée d’Archimède ». Dans l’eau, cette force s’oppose à la force gravitationnelle. Ainsi, le poids apparent d’un objet dans l’eau correspond à la différence entre son poids réel et la poussée d’Archimède. Le principe d’Archimède est aussi valable dans les

166

Chapitre 1 Univers matériel

fluides gazeux comme l’air. Toutefois, comme le poids de l’air déplacé par les corps est très faible, peu d’objets flottent dans l’air et la différence de poids est imperceptible.

Force gravitationnelle Poussée d’Archimède (force résultante)

Figure 165 La pression exercée par l’eau sous le sous-marin est supérieure à celle qui s’exerce sur celui-ci. La différence entre ces deux pressions correspond à la force résultante, c’est-à-dire à la poussée d’Archimède.

7.1.2

La flottabilité

ATS

La flottabilité correspond à la capacité d’un objet de flotter dans un fluide. C’est la différence entre la force gravitationnelle et la poussée d’Archimède qui détermine si un objet peut flotter à la surface, demeurer en suspension à une certaine profondeur ou alors couler au fond d’un liquide, par exemple. Ainsi, lorsqu’on introduit un objet dans un liquide, trois situations peuvent se présenter : • Le poids du solide est supérieur à celui du liquide qu’il déplace (voir la figure 166 a). Dans ce cas, la force gravitationnelle est supérieure à la poussée d’Archimède et le mouvement est orienté vers le bas : l’objet « coule » au fond. • Le poids du solide totalement plongé dans le liquide est égal au poids du liquide qu’il déplace (voir la figure 166 b). Dans ce cas, la poussée d’Archimède compense la force gravitationnelle et le mouvement vertical est nul. L’objet est en suspension dans le liquide. • Le poids du solide totalement introduit dans le liquide est inférieur au poids du liquide qu’il déplace (voir la figure 166 c). Dans ce cas, la poussée d’Archimède est supérieure à la force gravitationnelle et le mouvement est ascendant. L’objet remonte alors à la surface.

Poids Poussée d’Archimède

Poids Aucun mouvement

Poids Mouvement

Poussée d’Archimède

Poussée d’Archimède

a) L’objet descend.

Mouvement

b) L’objet demeure en suspension dans le fluide.

c) L’objet remonte à la surface.

Figure 166 Les trois situations possibles lorsqu’un objet est introduit dans un fluide.

REPÈRE

ARCHIMÈDE DE SYRACUSE Savant de la Grèce antique (287-212 av. J.-C.) Archimède est connu pour avoir fait de nombreuses découvertes. En tant qu’ingénieur, il a découvert et perfectionné un grand nombre d’inventions comme des machines fonctionnant à l’aide de poulies et de leviers, des systèmes à vis et écrou, d’engrenages et de vis sans fin. Ses travaux en géométrie l’ont amené à découvrir le rapport entre le volume de la sphère et du cylindre. Dans le domaine de la physique, il a mis en évidence le principe connu sous le nom de « poussée d’Archimède ». Selon la légende, Archimède se serait exclamé « Eurêka ! » (ce qui signifie « J’ai trouvé ! » en grec ancien) lorsqu’il a compris ce comportement particulier des fluides.

Section 7 Les fluides

167

CONCEPT

7.2 Le principe de Pascal

ATS

Selon le principe de Pascal, une variation de pression causée par une force appliquée en un point dans un fluide se transmet intégralement dans toutes les directions jusqu’aux parois du contenant qui le renferme. Les particules d’un fluide ont pour caractéristique de pouvoir bouger les unes par rapport aux autres. Si un fluide (gaz ou liquide) n’est pas contenu dans un espace fermé (par exemple dans une bonbonne ou dans une bouteille), il est impossible d’exercer une pression sur ce fluide. Par contre, dès qu’un fluide est contenu dans un espace fermé et qu’on lui applique une pression, il la transmet uniformément à toutes les parois du contenant. Ce phénomène correspond au principe de Pascal. Ainsi, lorsqu’on applique une force en un point d’un fluide, elle est transmise de façon uniforme dans toutes les directions jusqu’aux parois du contenant (voir la figure 167). Pression

REPÈRE

BLAISE PASCAL Philosophe et scientifique français (1623-1662) Éduqué par son père, Blaise Pascal montre très tôt des aptitudes exceptionnelles pour les sciences. On lui doit d’importants travaux dans le domaine des mathématiques, de la géométrie et des probabilités. Dès l’âge de 16 ans, il se fait remarquer en publiant un texte portant sur la géométrie. Il conçoit par la suite une machine à calculer mécanique qui est considérée comme l’ancêtre de la calculatrice moderne. En physique, Pascal décrit le comportement des fluides et prouve l’existence de la pression atmosphérique au cours d’une expérience réalisée à l’aide d’un tube rempli de mercure. Le pascal (Pa), l’unité de mesure de la pression, a été nommé en son honneur.

Gaz (fluide compressible)

Pression

Liquide (fluide incompressible)

Figure 167 Dans un fluide, la pression appliquée en un point se transmet intégralement dans l’ensemble du fluide. Les fluides compressibles (gaz) voient leur volume diminuer sous l’effet de la pression, car l’espace entre leurs particules est grand et peut être diminué. Les fluides incompressibles (liquides) conservent le même volume sous l’effet de la pression, car l’espace entre leurs particules ne peut être réduit davantage.

On calcule la valeur de la pression (P) en divisant la valeur de la force (F) par l’aire (A) sur laquelle cette force est appliquée. L’unité de mesure de la pression dans le système international est le pascal (Pa), qui se définit ainsi : 1 N/m2 = 1 Pa. L’équation suivante décrit le principe de Pascal :

P

F A



P  Pression, exprimée en newtons par mètre carré ou en pascals (N/m2 ou Pa) F  Force, exprimée en newtons (N) A  Aire où est appliquée la force, exprimée en mètres carrés (m2)

Le principe de Pascal ne permet pas seulement de décrire comment une force peut être transmise à travers un fluide. Il a de nombreuses applications dans la conception et la fabrication de systèmes technologiques comme les presses et les vérins hydrauliques.

168

Chapitre 1 Univers matériel

Un vérin hydraulique possède deux pistons de diamètres différents qui sont remplis d’un fluide incompressible comme de l’eau ou de l’huile (voir la figure 168). Si on exerce une force de 200 N sur le petit piston de 0,001 m2, la pression exercée sur ce piston est alors de 200 000 N/m2. Comme la pression est transmise uniformément partout dans le liquide, et que la surface du grand piston est de 0,005 m2, la force transmise par le grand piston est alors de 1 000 N, soit cinq fois plus grande que celle appliquée au départ sur le petit piston. Dans un système hydraulique, l’augmentation de la force est donc directement proportionnelle au rapport des surfaces des pistons. Le petit piston effectue alors un plus long déplacement que le grand piston.

A = 0,001 m2

A = 0,005 m2

F1 = 200 N

F2 = 1 000 N

Cette multiplication de la force par un système hydraulique est appelée l’avantage mécanique de ce Figure 168 Un système de vérin hydraulique. système. En raison de l’avantage mécanique qu’ils procurent, ces systèmes sont notamment utilisés dans les ascenseurs, la machinerie lourde comme les élévateurs ou les pelles mécaniques, les freins de véhicules automobiles ou encore dans les ponts élévateurs pour soulever les voitures dans les garages. Dans plusieurs cas, la pression est appliquée sur le liquide (généralement de l’huile) grâce à de l’air comprimé plutôt qu’à un piston.

Le système de freinage d’une automobile Pour pouvoir ralentir efficacement une automobile, il faut exercer une force de frottement importante. Le frein à disque est composé d’un disque rattaché à la roue sur lequel viennent frotter deux plaquettes. Afin d’être sécuritaire, le système doit être fiable et capable d’exercer une force de compression élevée. C’est un système hydraulique à huile qui permet à l’automobiliste de développer la force suffisante pour freiner. La pédale de frein agit souvent comme levier. Elle actionne le piston de commande du circuit hydraulique de freinage (voir la figure 169 ). Ce circuit transmet et augmente la force appliquée par l’automobiliste pour presser les plaquettes de freinage contre le disque.

Huile

Piston

Maître cylindre

Cylindre récepteur Piston Plaquettes

Disque rattaché à l’essieu

Figure 169 Le circuit hydraulique du système de freinage d’une automobile.

Section 7 Les fluides

169

CONCEPT

7.3 Le principe de Bernoulli

ATS

Selon le principe de Bernoulli, la vitesse d’un fluide en mouvement influe sur sa pression. Le principe de Bernoulli stipule que lorsque la vitesse d’un fluide augmente, la pression diminue. À l’inverse, lorsque la vitesse d’un fluide diminue, la pression augmente. La connaissance de ce principe, élaboré au 18e siècle, a des applications très variées : elle sert, entre autres, à concevoir des réseaux d’aqueducs, à améliorer l’aérodynamisme des véhicules ou à concevoir des fuselages et des ailes qui assurent suffisamment de portance pour permettre le vol d’un avion. La portance est la force perpendiculaire à l’orientation du mouvement d’un objet dans un fluide. La portance est liée au principe de Bernoulli et au déplacement des objets dans les fluides et permet d’expliquer comment une aile d’avion ou de planeur permet à un appareil de voler. En effet, lorsqu’on observe la vue en coupe d’une aile d’avion, on remarque que la face supérieure de l’aile, appelée l’« extrados », est courbée alors que la face inférieure, l’« intrados », est relativement plane (voir la figure 170).

REPÈRE

DANIEL BERNOULLI Basse pression exercée par l’air qui s’écoule plus rapidement

Mathématicien et physicien suisse (1700-1782) Issu d’une famille de mathématiciens, Daniel Bernoulli a passé une grande partie de sa vie à enseigner les mathématiques, l’astronomie, la médecine et la philosophie. Il est notamment connu pour ses travaux sur les gaz et les marées. En 1738, il publie un ouvrage portant sur la mécanique des fluides dans lequel il décrit le comportement d’un fluide dans une conduite. Cet ouvrage, qui expose ce que l’on nomme aujourd’hui le « principe de Bernoulli », constitue l’un des fondements de l’hydrodynamique.

Extrados Sens du déplacement de l’air

F (portance) Intrados

Haute pression exercée par l’air qui s’écoule plus lentement

Fg (force gravitationnelle)

Lorsque la portance (F ) est supérieure à la force gravitationnelle (Fg), l’aile permet à l’avion de s’élever et de voler.

Figure 170 La vue en coupe d’une aile d’avion et la portance.

Lorsque l’avion se déplace, les molécules d’air qui passent sur la face supérieure de l’aile parcourent une plus grande distance que celles qui passent sur la face inférieure. Par conséquent, l’air se déplace plus rapidement sur l’extrados que sur l’intrados de l’aile. Il en résulte que la pression sur la face supérieure de l’aile diminue, créant une basse pression. La différence de pression entre l’extrados et l’intrados crée une portance dirigée vers le haut. Lorsque la portance est plus importante que la force gravitationnelle, l’avion décolle ou grimpe en altitude. Dans une éolienne, les pales du rotor ressemblent aux ailes d’un avion. La portance sert donc à faire tourner le rotor de l’éolienne. De la même façon, les ailerons des voitures de course sont en réalité des « ailes inversées ». La force alors exercée « écrase » la voiture sur le sol.

170

Chapitre 1 Univers matériel

Trajectoire initiale du lancer

« Brosser » des balles ou des ballons Les athlètes connaissent bien l’un des effets du principe de Bernoulli appelé l’« effet Magnus » (voir la figure 171 ). Cet effet se produit lorsqu’on frappe un ballon ou une balle en lui imprimant un mouvement de rotation, c’est-à-dire en « brossant » le ballon ou la balle. La trajectoire du projectile est courbe plutôt que rectiligne. Cet « effet » est particulièrement recherché au soccer, au tennis ou au volleyball. Si la balle ou le ballon ne tourne pas, la pression de l’air est plus grande devant l’objet que derrière celui-ci et la trajectoire ne change pas. En revanche, dès qu’il y a rotation, la vitesse de l’air relative à la surface de la balle ou du ballon est plus élevée d’un côté que de l’autre. Cela se traduit par une différence de pression qui fait courber la trajectoire de la balle ou du ballon. Le même phénomène se produit dans les « balles à effet » au baseball.

Pour faire le point Le principe d’Archimède

ATS

(pages 166 et 167)

1. a) Qu’est-ce que la poussée d’Archimède ? b) À quel type de force la poussée d’Archimède s’oppose-t-elle ? 2. a) Comment nomme-t-on la capacité d’un objet de flotter dans un fluide ? b) Quelles sont les trois situations qui peuvent se produire lorsqu’un objet est introduit dans un fluide ? 3. L’illustration suivante présente deux objets de même poids immergés dans l’eau. Expliquez pourquoi l’objet A flotte alors que l’objet B coule.

Trajectoire courbe du ballon

Sens de la rotation du ballon

Pression plus élevée

Pression moins élevée

Figure 171 La trajectoire d’un ballon « brossé ».

SECTION

7

Les fluides

Le principe de Pascal

ATS

(pages 168 et 169)

4. Quelle est la différence entre un fluide compressible et un fluide incompressible ? 5. Expliquez comment un vérin hydraulique permet de multiplier une force. 6. Qu’est-ce que l’avantage mécanique ? 7. On exerce une force de 240 N sur le petit piston d’un vérin hydraulique. À l’autre extrémité, le grand piston arrive à supporter en hauteur un objet ayant un poids de 1 200 N. Combien de fois la surface du grand piston est-elle supérieure à celle du petit piston ?

Le principe de Bernoulli

ATS

(page 170)

8. Donnez quelques exemples d’applications technologiques en lien avec le principe de Bernoulli.

A B

9. Décrivez comment s’écoule un fluide (pression et vitesse) sur la face supérieure et sur la face inférieure d’une aile d’avion. 10. Qu’est-ce que la portance ?

Section 7 Les fluides

171

SECTION

Le principe d’Archimède

7

Les fluides

ATS

Principe selon lequel tout corps introduit dans un fluide subit une poussée vers le haut qui est proportionnelle au poids du fluide qu’il déplace. • La pression qu’exerce un fluide sur un objet augmente avec la profondeur. Ainsi, la pression exercée à la base d’un objet introduit dans un fluide est plus grande que celle exercée sur sa surface supérieure. La force résultante sur l’objet est une poussée ascendante appelée « poussée d’Archimède ». • Lorsqu’on introduit un objet dans un fluide, la poussée d’Archimède s’oppose à la force gravitationnelle exercée sur cet objet. • La flottabilité correspond à la capacité d’un objet de flotter dans un fluide. – Si la force gravitationnelle exercée sur un objet est supérieure à la poussée d’Archimède, l’objet « coule ». – Si la force gravitationnelle exercée sur un objet est égale à la poussée d’Archimède, l’objet demeure en suspension dans le fluide. – Si la force gravitationnelle exercée sur un objet est inférieure à la poussée d’Archimède, l’objet remonte vers la surface.

Le principe de Pascal

ATS

Principe selon lequel une variation de pression causée par une force appliquée en un point dans un fluide se transmet uniformément dans toutes les directions jusqu’aux parois du contenant qui le renferme. • Dans un vérin hydraulique contenant un fluide incompressible (liquide), l’application du principe de Pascal permet de transmettre et de multiplier la force appliquée sur un piston vers un deuxième piston. • La multiplication de la force est directement proportionnelle au rapport de surface entre les pistons. • L’avantage mécanique correspond à la multiplication de la force par un système hydraulique.

Le principe de Bernoulli

ATS

Principe selon lequel la vitesse d’un fluide en mouvement influe sur sa pression. • Plus la vitesse de déplacement d’un fluide par rapport à un objet est grande, plus la pression exercée sur la surface de l’objet diminue. • L’air se déplace plus rapidement sur la face supérieure d’une aile d’avion que sur sa face inférieure. Les différences de pression ainsi engendrées créent une force résultante vers le haut appelée « portance ».

172

Chapitre 1 Univers matériel

SECTION

L

’électricité est un phénomène physique présent dans la vie de tous les jours sous de multiples aspects. Par exemple, l’influx nerveux dans le système nerveux, les éclairs d’un orage ou encore l’énergie qui fait fonctionner un ordinateur sont des formes d’électricité. De nombreux procédés sont utilisés pour produire l’électricité à partir de différentes sources d’énergie : des centrales hydrauliques, thermiques, nucléaires et des éoliennes, par exemple. L’électricité est largement utilisée pour le transport de grandes quantités d’énergie, car on peut ensuite la transformer aisément en d’autres formes d’énergie utiles à de nombreux usages domestiques ou industriels. C’est d’ailleurs pourquoi son usage est si répandu. Dans cette section, vous découvrirez les propriétés électriques de la matière, ainsi que différentes caractéristiques de l’électricité et des phénomènes électriques.

8

L’électricité

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8

La charge électrique . . . . . . . . . . . . . . 174 ST

STE

ATS

L’électricité statique . . . . . . . . . . . . . . 180 ST

STE

ATS

La loi de Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 STE

Le champ électrique . . . . . . . . . . . . . . 185 STE

Les circuits électriques . . . . . . . . . . . 187 ST

STE

ATS

La loi d’Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 ST

STE

ATS

Les lois de Kirchhoff . . . . . . . . . . . . . . 196 STE

La relation entre la puissance et l’énergie électrique . . . . . . . . . . . . 203 ST

STE

ATS

173

CONCEPT

8.1 La charge électrique

ST

STE

ATS

La charge électrique est une propriété de la matière dont on distingue deux types : la charge positive, qui est celle du proton, et la charge négative, qui est celle de l’électron.

Figure 172 Dans un atome de calcium, les électrons et les protons sont en nombre égal (20 électrons et 20 protons), ce qui explique que sa charge est nulle.

Les atomes qui composent la matière sont constitués d’électrons (de charge négative) qui gravitent autour d’un noyau (de charge positive). Puisqu’un atome comporte autant de protons que d’électrons, la charge électrique totale d’un atome est nulle ; on dit alors que l’atome est neutre (voir la figure 172). Les objets qui nous entourent sont tous formés d’atomes ou de molécules. Normalement, ces objets sont électriquement neutres. Toutefois, il est possible de briser cette neutralité et de les charger. Par exemple, un ballon de caoutchouc que l’on frotte sur des cheveux acquiert un surplus d’électrons, transférés des cheveux vers le ballon. Le ballon devient alors chargé négativement, tandis que les cheveux, en déficit d’électrons, deviennent chargés positivement. La charge d’un objet découle donc de l’équilibre des charges négatives et des charges positives présentes sur l’objet (voir la figure 173).

a) Tige de verre neutre : le nombre de charges positives est égal au nombre de charges négatives.

b) Tige de verre chargée positivement : le nombre de charges positives est supérieur au nombre de charges négatives.

Figure 173 Un objet neutre et deux objets chargés.

c) Tige de verre chargée négativement : le nombre de charges négatives est supérieur au nombre de charges positives.

Dans le cas du ballon de caoutchouc, la charge électrique négative qu’il a acquise lui permet de « coller » à un mur électriquement neutre sur lequel on l’appuie. Les forces qui retiennent le ballon en place sont les forces électrostatiques. Les charges électriques sont à l’origine des forces électrostatiques observées entre des objets électriquement chargés. Les forces électrostatiques d’attraction et de répulsion obéissent à la loi des charges électriques, selon laquelle : • les charges électriques de signes opposés s’attirent (voir la figure 174 a) ; • les charges électriques de même signe se repoussent (voir la figure 174 b) ; • les objets chargés peuvent attirer certains objets neutres (voir la figure 175).

+

a) Les charges de signes opposés s’attirent.

Figure 175 Une tige de verre chargée attire l’eau qui coule du robinet.

174

Chapitre 1 Univers matériel

+



+

b) Les charges de même signe se repoussent.

Figure 174 La loi des charges électriques.





Les isolants électriques, les conducteurs, les semi-conducteurs et les supraconducteurs

8.1.1

ST

STE

ATS

La conductibilité électrique est une propriété physique de la matière qui décrit la capacité d’une substance ou d’un matériau à laisser circuler des charges électriques. Certaines substances ou matériaux sont des isolants, d’autres sont des conducteurs, des semi-conducteurs ou des supraconducteurs (voir le tableau 19). Tableau 19 Quelques exemples de matériaux isolants, conducteurs, semi-conducteurs et supraconducteurs Isolants

Conducteurs

Semi-conducteurs

Supraconducteurs

Coton

Aluminium

Silicium

Niobium à 257 °C

Verre

Cuivre

Germanium

Plomb à 266 °C

Papier

Or

Carbone

Aluminium à – 272 °C

Plastique

Nickel

Oxyde de zinc

Étain à 269 °C

Figure 176 Un microprocesseur contient un semi-conducteur au silicium.

Les isolants électriques Un isolant électrique est une substance à l’intérieur de laquelle les charges électriques ne peuvent pas se déplacer. Par exemple, un ballon de caoutchouc peut capter des électrons lorsqu’il est frotté à des cheveux ; toutefois, ces électrons ne peuvent pas circuler à l’intérieur du caoutchouc. C’est la raison pour laquelle seule la petite surface du ballon ayant été frottée est chargée négativement.

Les conducteurs électriques Un conducteur électrique est une substance dans laquelle les charges électriques peuvent se déplacer aisément. Les métaux comme le cuivre et l’or sont des conducteurs électriques parce qu’ils possèdent des électrons libres. Ces électrons peuvent passer facilement d’un atome à un autre et, ainsi, se déplacer partout dans le métal. Certaines solutions, les électrolytes, sont également des substances conductrices, car elles contiennent des ions libres de circuler dans la solution.

Figure 177 Dans le MAGLEV , train ultrarapide, les aimants sont refroidis à une température de 269 °C par de l’hélium liquide de façon à leur donner des propriétés supraconductrices.

*

De l’anglais Magnetic * MAGLEV Levitation (sustentation magnétique).

Voir La dissociation électrolytique, p. 77.

Les semi-conducteurs Les semi-conducteurs ne sont pas de bons conducteurs électriques : contrairement aux métaux, leurs électrons libres se déplacent difficilement. En insérant certaines impuretés dans les matériaux semi-conducteurs, on peut augmenter leur conductivité. Ils sont alors utilisés pour fabriquer des composantes électroniques, tels les diodes, les transistors et les circuits intégrés (voir la figure 176).

Les supraconducteurs Les supraconducteurs sont des substances qui conduisent l’électricité presque sans aucune contrainte. Pour parvenir à un tel résultat, les substances en question doivent cependant être refroidies à des températures très basses, inférieures à 100 °C. Les supraconducteurs sont utilisés à des fins très particulières, par exemple pour transporter l’électricité avec une efficacité accrue ou, encore, pour fabriquer certains types d’aimants comme ceux qui servent au fonctionnement de trains à sustentation magnétique (voir la figure 177).

*

Voir Les fonctions du condensateur, de la diode, du transistor et du relais semi-conducteur, p. 465.

État d’équilibre des * Sustentation forces qui permet à un objet de « flotter » en contrant la force gravitationnelle.

Section 8 L’électricité

175

8.1.2

Figure 178 Lorsqu’on frotte un ballon en caoutchouc (un isolant), les charges (X) restent en place. Par contre, si on frotte un ballon dont la surface est métallique, les charges se répartissent sur toute la surface conductrice.

La charge électrique d’un objet

ST

STE

ATS

Il y a trois façons de charger électriquement un objet : par frottement, par contact ou par induction. Peu importe la façon employée, ce sont toujours les électrons qui sont transférés d’un objet à un autre puisqu’ils sont en périphérie des atomes. Les protons demeurent confinés dans le noyau atomique et ne sont jamais transférés. Les électrons transférés s’accumulent alors à la surface des objets qui les ont reçus. Si l’objet chargé est un isolant, la charge s’accumule à un endroit précis de sa surface ; si l’objet est un conducteur, la charge se répartit alors sur toute sa surface (voir la figure 178). De plus, quand un objet solide est chargé, le nombre d’électrons qu’il a gagnés est toujours égal au nombre d’électrons perdus par un autre objet. Par conséquent, la charge totale est en principe toujours conservée. Ce principe est connu sous le nom de « loi de la conservation de la charge ».

La charge par frottement Lorsque deux matériaux différents sont frottés l’un contre l’autre, l’objet le plus susceptible d’acquérir des électrons les arrache à l’autre. Par exemple, le plastique et la laine ne possèdent pas naturellement de charge électrique : chacun de ces matériaux contient un nombre égal de protons et d’électrons, ce qui le rend électriquement neutre. Par contre, en les frottant l’un contre l’autre, il est possible de rompre cette neutralité et d’obtenir deux objets électriquement chargés. Chacun d’eux acquiert alors une charge électrique de signe opposé. En effet, lorsque le plastique est frotté contre la laine, certains atomes de plastique « arrachent » des électrons à des atomes de la laine parce qu’ils les attirent davantage. Il s’ensuit que la charge électrique du plastique est négative, car il s’y trouve plus d’électrons que de protons, et celle de la laine est positive, car il s’y trouve plus de protons que d’électrons (voir la figure 179).

Faible attraction des électrons Acétate Verre Laine Cheveux humains Calcium Soie Aluminium Zinc Coton Paraffine Ébonite (plastique) Cuivre, nickel Caoutchouc Ambre Soufre Platine, or

Plastique

Laine

Autant d’électrons que de protons dans chaque matériau

Plus d’électrons que de protons (charge négative)

Plus de protons que d’électrons (charge positive)

a) Avant frottement.

Laine

b) Après frottement.

Figure 179 C’est le transfert des électrons qui est responsable de la charge électrique des objets.

Forte attraction des électrons

Figure 180 Une série électrostatique de quelques substances.

176

Plastique

Chapitre 1 Univers matériel

Les matériaux peuvent être classés selon leur capacité à attirer des électrons. Ce classement est appelé « série électrostatique » (voir la figure 180). Par exemple, le verre frotté à la soie cède des électrons à la soie puisque cette dernière exerce une plus forte attraction sur les électrons que le verre. Le verre se charge donc positivement tandis que la soie acquiert une charge négative.

La charge par contact L’électroscope est un instrument qui permet de révéler la présence de charges électriques sur un objet (voir la figure 181). C’est aussi un objet qui peut être chargé de différentes façons. Il est composé de deux feuilles de métal très minces suspendues à une tige également en métal. En l’absence de charge électrique, les deux feuilles de métal de l’électroscope pendent verticalement (voir la figure 182 a). Par contre, lorsque l’électroscope est chargé, les deux feuilles s’écartent l’une de l’autre (voir la figure 182 b). Celles-ci se repoussent parce qu’elles possèdent une charge électrique de même signe ; comme les électrons peuvent circuler librement dans les métaux, la charge se répartit alors dans tout l’électroscope. Figure 181 Un électroscope.

Le générateur de Van der Graaf

a) Quand l’électroscope est neutre, les feuilles de métal restent immobiles et verticales.

b) Quand l’électroscope est chargé, les feuilles de métal se repoussent.

Figure 182 Un électroscope permet de détecter si un objet est chargé.

Lorsqu’on met en contact un objet chargé avec un objet neutre conducteur, une partie de la charge est transférée du premier objet au second (voir la figure 183). Sur la figure 183 a, les électrons en excès à la surface de la tige de carbone chargée négativement se dirigent vers l’électroscope qui se charge alors négativement. Le mouvement des feuilles métalliques indique que la tige de carbone était chargée. Par contre, lorsqu’une tige de verre chargée positivement est mise en contact avec un électroscope neutre, les électrons de l’électroscope sont attirés par la surface de la tige de verre et l’électroscope devient chargé positivement (voir la figure 183 b). Ainsi, lorsqu’un objet est chargé par contact avec un autre objet, il y a un partage des charges entre les deux objets.

Transfert d’électrons

Transfert d’électrons Tige de carbone

a) Le transfert d’électrons s’effectue de la tige de carbone vers l’électroscope, qui se charge alors négativement. Les feuilles de métal s’écartent.

Figure 183 La charge d’un électroscope par contact.

Tige de verre

b) Le transfert d’électrons s’effectue de l’électroscope vers la tige de verre. L’électroscope se charge alors positivement. Les feuilles de métal s’écartent.

Le générateur de Van der Graaf est une machine électrostatique qui permet d’accumuler des charges dans une sphère métallique. Un peigne métallique arrache par frottement des électrons à une courroie faite de matière isolante. Ces électrons sont stockés dans une sphère métallique qui est isolée de l’environnement afin de conserver les charges. Lorsque la charge de la sphère est maximale et qu’une autre boule métallique est approchée de la sphère chargée, une décharge électrique se produit. Si une personne est en contact dès le début avec la sphère métallique, les électrons circulent alors dans son corps et s’accumuleront, entre autres, dans ses cheveux. Devenus chargés négativement, ceux-ci se repousseront entre eux (voir la figure 184 ).

Figure 184 Le générateur de Van der Graaf.

Section 8 L’électricité

177

La charge par induction Comme les forces électriques agissent à distance, il est possible de charger un objet neutre et conducteur sans qu’il y ait contact avec un autre objet. Pour cela, il suffit d’approcher un objet déjà chargé électriquement : c’est la charge par induction. L’exemple suivant permet de comprendre comment un électroscope peut être chargé négativement en quatre étapes. Quand on approche une tige de verre chargée positivement d’un électroscope neutre, des électrons libres de l’électroscope sont attirés du côté du bouton où se trouve la tige (voir la figure 185 a). à la terre Lien destiné à * Mise conduire les charges électriques vers le sol. La terre constitue un réservoir qui peut accepter ou fournir toute quantité d’électrons. Une main constitue une mise à la terre en acceptant ou en fournissant des électrons parce que le corps humain est conducteur.

*

Lorsqu’un doigt touche l’électroscope pour effectuer une mise à la terre , tout en maintenant la tige de verre en place, des électrons sont transférés vers l’électroscope sous l’effet de l’induction, en passant par le doigt (voir la figure 185 b). Quand on retire le doigt, l’électroscope conserve un surplus d’électrons et sa charge induite est négative (voir la figure 185 c). Une fois que la tige de verre est éloignée, les feuilles se repoussent, puisque l’électroscope est chargé (voir la figure 185 d). À l’opposé, si on approche une tige chargée négativement d’un électroscope en suivant les mêmes étapes, des électrons quittent l’électroscope en traversant le doigt jusqu’à la terre. Après le retrait du doigt, l’électroscope est alors chargé positivement. Flux d’électrons attirés du sol par la tige

Tige de verre (chargée positivement) Électroscope (neutre)

Répulsion a) Étape 1 : Approcher un objet chargé positivement de l’électroscope neutre, sans qu’ils se touchent. Les électrons libres de l’électroscope sont attirés vers le haut, ce qui crée un surplus de charges positives au niveau des feuilles. L’électroscope demeure cependant neutre.

b) Étape 2 : Toucher du doigt l’électroscope pour le relier au sol. Des électrons sont alors attirés du sol vers le bouton de l’électroscope par la tige de verre chargée positivement.

Éloignement de la tige de verre Retrait du doigt Électroscope (chargé négativement)

Répulsion c) Étape 3 : Retirer la main pour que le surplus d’électrons demeure sur l’électroscope.

Figure 185 La charge par induction d’un électroscope (en quatre étapes).

178

Chapitre 1 Univers matériel

d) Étape 4 : Retirer l’objet chargé. Le surplus d’électrons se distribue dans l’ensemble de l’électroscope et les feuilles métalliques se repoussent.

8.1.3

La mesure des charges

ST

STE

ATS

Lorsqu’un objet est chargé électriquement, c’est qu’il est en surplus ou en déficit d’un certain nombre d’électrons. Pour connaître la valeur de la charge électrique d’un objet, il s’agit donc de compter le nombre d’électrons mis en jeu lors d’un transfert. Or, comme il est impossible de compter un à un les électrons, les scientifiques les ont regroupés en quantité définie, comme s’il s’agissait de paquets, pour en faire des unités de charge. Dans le système international d’unités de mesure (SI), ces unités de charge sont appelées coulombs (C). La valeur d’un coulomb correspond à la charge totale d’un groupe de 6,25  1018 électrons ou protons, puisque chacune de ces particules porte la même charge élémentaire bien qu’elles soient de signes contraires.

Voir La loi de Coulomb, p. 183.

Transporter l’électricité sans perte L’utilisation des matériaux supraconducteurs dans le domaine du transport de l’électricité comporterait des avantages intéressants. Ces matériaux permettraient, par exemple, de transporter près de 10 fois plus d’électricité que les matériaux conducteurs utilisés par les entreprises productrices et distributrices d’électricité, telle Hydro-Québec. De plus, les câbles supraconducteurs occasionneraient beaucoup moins de pertes d’énergie électrique que les câbles standards. Cette technologie, qui transporterait donc plus efficacement l’électricité sur de longues distances, pourrait ainsi avoir des retombées bénéfiques pour l’environnement puisqu’elle réduirait le rythme de construction de nouvelles centrales, de nouveaux barrages et de nouvelles lignes de transport. Or, la supraconductivité n’existe qu’à de très basses températures, lesquelles peuvent être atteintes avec un système de réfrigération complexe qui fonctionne avec des gaz liquéfiés. En dépit des difficultés technologiques que pose la fabrication des câbles supraconducteurs et des ressources financières importantes qu’elle exige, des études économiques prédisent que non seulement les technologies supraconductrices permettraient de limiter les coûts dus aux pertes d’énergie, mais que les investissements nécessaires pourraient être fort rentables. Ainsi, en 2006, on a intégré une première série de câbles supraconducteurs de 600 mètres de longueur au réseau de distribution de Long Island, aux États-Unis (voir la figure 186). Peu de temps après, en 2007, des câbles supraconducteurs de deuxième génération, d’une efficacité plus grande encore, ont été testés avec succès en laboratoire, à Hanovre en Allemagne. Figure 186 Les câbles supraconducteurs installés à Long Island. Les câbles supraconducteurs sont les trois câbles qui entrent dans le sol ; ils peuvent transporter 574 mégawatts, soit l’équivalent de tous les câbles aériens qui sont à l’arrière-plan.

Section 8 L’électricité

179

CONCEPT

8.2 L’électricité statique

ST

STE

ATS

L’électricité statique est une forme d’électricité au repos qui apparaît à la suite de frottements entre des substances ou des matériaux.

Voir La charge électrique, p. 176.

En sortant du sèche-linge, les vêtements qui collent parfois les uns aux autres émettent un crépitement accompagné de petites étincelles lorsqu’on les sépare. De même, lors d’un orage, des éclairs se produisent. Ce sont là des exemples de décharges d’électricité statique. Il s’agit dans les deux cas du même phénomène physique, bien que les quantités d’énergie libérée soient très différentes. Entre ces deux extrêmes, il existe de nombreuses manifestations et utilisations de l’électricité statique. L’électricité statique est produite par frottement quand deux substances ou matériaux isolants de nature différente sont frottés l’un contre l’autre : l’un devient alors chargé négativement, et l’autre positivement.

Les manifestations et les utilisations de l’électricité statique ST STE ATS 8.2.1

REPÈRE

BENJAMIN FRANKLIN Homme politique, physicien et inventeur américain (1706-1790) En plus d’être l’un des auteurs et signataires de la Déclaration d’indépendance des États-Unis, Franklin est particulièrement connu pour ses travaux dans le domaine de l’électricité. En 1752, il réalise une expérience sur la foudre : il attache une clef à la ficelle qui retient un cerf-volant pour démontrer, sans se faire blesser puisqu’il s’agit d’une expérience extrêmement dangereuse, que les éclairs sont en fait de l’électricité statique. Cette expérience l’a ensuite mené à l’invention du paratonnerre. Il est le premier à avoir suggéré l’usage de termes scientifiques et technologiques comme « charges », « positif/négatif » ou encore « batterie ».

L’électricité statique ne peut pas s’emmagasiner dans un corps qui est bon conducteur, sauf si celui-ci est parfaitement isolé du reste de son environnement. Il suffit qu’un objet soit faiblement conducteur pour que l’électricité statique en sorte et que l’objet retrouve sa neutralité. L’eau, lorsqu’elle n’est pas pure, est un conducteur électrique qui peut être absorbé par des matériaux ou substances isolants, tels l’air, le bois ou le tissu. L’eau ou l’humidité permettent alors à ces matériaux ou substances de maintenir leur neutralité. Plus le taux d’humidité est élevé, moins il y a d’électricité statique dans l’air. Quand il y a trop d’électricité statique accumulée, une décharge électrique se produit. Lors d’une décharge, il y a production d’une étincelle ou d’un arc électrique qui peut être d’intensité variable (voir la figure 187). Toutefois, même si elles sont faibles, de telles décharges peuvent endommager des composantes électroniques dans des objets techniques ou, encore, causer l’explosion de vapeurs d’essence près des pompes des stations services.

Figure 187 Une décharge produite à l’aide d’une machine électrostatique.

180

Chapitre 1 Univers matériel

L’électricité statique est mise à profit dans divers procédés technologiques. Par exemple, lorsqu’on peint un objet à l’aide d’un pistolet à peinture ordinaire, un certain nombre de gouttelettes atteint l’objet. Les autres gouttelettes se dispersent dans l’air, ce qui est une source de pollution et de gaspillage. Afin d’éviter ces inconvénients, on donne à la peinture et à l’objet à peindre des charges électriques opposées. Les gouttelettes de peinture sont ainsi attirées par l’objet à peindre et viennent se fixer sur celui-ci (voir la figure 188).

Gicleur

Objet à peindre chargé positivement

Gouttelettes de peinture chargées négativement

a) Le principe de la colorisation électrostatique.

b) La colorisation électrostatique d’une carrosserie en usine.

Figure 188 La colorisation électrostatique est un exemple de procédé technologique mettant à profit l’électricité statique.

Un autre exemple de procédé utilisant l’électricité statique est le filtre électrostatique. Ce type de filtre qu’on trouve dans un échangeur d’air, par exemple, utilise les forces d’attraction électrostatiques qui existent entre les charges opposées pour capter les particules de poussière en suspension dans l’air (voir la figure 189). Lorsque l’air est propulsé dans un filtre électrostatique, un écran de préfiltrage retient d’abord les grosses particules de poussière. Par la suite, cet air traverse une section constituée de plaquettes dont le rôle est de charger négativement les fines poussières en suspension. Enfin, ces particules passent à travers un réseau de plaques collectrices chargées positivement qui les attirent. Plaquettes de charge négative

Écran de préfiltrage

Plaquettes collectrices de charge positive

Filtre de charbon de bois

Figure 189 Le principe du filtre électrostatique. Un échangeur d’air est parfois doté d’un filtre électrostatique qui sert à capter les particules de poussière. Section 8 L’électricité

181

8.2.2 La protection des lignes de distribution électriques contre la foudre Lorsque la foudre tombe sur une ligne de distribution d’électricité, elle génère une surtension violente et brève susceptible d’endommager les composantes du réseau électrique. La protection contre ces surtensions est assurée au moyen d’un parasurtenseur, aussi appelé communément parafoudre (voir la figure 192 ).

Une décharge électrique naturelle: la foudre

ST

STE

ATS

Au cours d’un orage, un très grand nombre de charges se forment par frottement et s’accumulent dans les nuages. Un nuage orageux contient des gouttes d’eau, des cristaux de glace et du grésil. À l’intérieur du nuage, toutes ces particules tombent plus ou moins lentement selon leur poids. Les cristaux de glace, plus légers, se trouvent dans le haut du nuage, tandis que le grésil, plus lourd, tombe vers le bas du nuage. Selon une théorie largement acceptée, les cristaux de glace se chargent par frottement quand le grésil les frappe en tombant. Le grésil acquiert alors une charge négative, et les cristaux de glace, une charge positive. Le grésil progresse plus vite que les cristaux de glace vers la région inférieure du nuage, qui se charge alors négativement. Inversement, le haut du nuage contient plus de cristaux de glace et il est donc chargé positivement (voir la figure 190).

Il arrive parfois que les décharges de foudre ne durent que quelques dizaines de microsecondes, de sorte que le temps de réaction d’un parafoudre doit être très court pour qu’il soit efficace.

Altitude (km)

Le parafoudre est un dispositif qui empêche l’augmentation de la tension dans le réseau de distribution électrique, en détournant vers la terre le surplus de courant causé par la foudre.

Sol chargé positivement par induction

Figure 190 Dans un nuage d’orage typique, la séparation des charges entraîne la formation d’un pôle positif au sommet et d’un pôle négatif à la base.

Conducteurs à 25 000 volts Parafoudre

Transformateur

Figure 192 Un parafoudre fait partie des installations du réseau de distribution aérien sur poteaux de bois.

* Plasma Gaz ionisé.

Comme le bas du nuage est chargé négativement, il induit une charge positive à la surface du sol. Si l’accumulation de charges électriques contraires devient suffisamment importante, il se produit une spectaculaire décharge vers la terre. Le long du passage de la décharge principale, l’air est ionisé et devient un plasma conducteur visible : c’est un éclair (voir la figure 191).

*

Figure 191 Les éclairs se forment lorsque l’air se transforme en un plasma conducteur dans lequel s’effectue un rapide transfert de charges.

182

Chapitre 1 Univers matériel

CONCEPT

8.3 La loi de Coulomb

STE

Selon la loi de Coulomb, la force électrique entre deux corps chargés et immobiles est inversement proportionnelle au carré de la distance entre les charges et directement proportionnelle au produit des charges. La loi de Coulomb permet de calculer la force électrique qui s’exerce entre deux corps chargés (particules ou objets). Cette force peut être une force d’attraction ou de répulsion, selon que les charges sont de signes opposés ou de même signe. Elle s’exerce à distance entre des charges immobiles. Les facteurs qui déterminent l’intensité de cette force sont la distance (r) qui sépare les charges et leur valeur respective (q1 et q2). Ainsi, plus la distance séparant les charges est grande, plus la force électrique s’exerçant entre elles est faible (voir la figure 193), et plus les valeurs des charges sont grandes, plus la force électrique est grande (voir la figure 194). FE

FE

q1

q2

r1

q1 = q2

a) Plus grande est la distance (r1) entre deux corps de charges opposées (q1 et q2), plus faible est la force électrique (FE).

FE q1

FE q1 = q2

q2

r2

b) Plus petite est la distance (r2) entre deux corps de charges opposées (q1 et q2), plus grande est la force électrique (FE).

Figure 193 La relation entre la distance séparant deux charges de même valeur et la force électrique.

FE q1 = 10 C

FE q2 = 10 C

r

a) Plus grande est la valeur des charges des corps (q1 et q2), plus grande est la force électrique (FE).

FE q1 = 10 C

FE

r

q2 = 20 C

REPÈRE

CHARLES AUGUSTIN DE COULOMB Physicien français (1736-1806) Charles Augustin de Coulomb reçoit une formation d’ingénieur et pratique cette profession toute sa vie. Toutefois, ce sont ses travaux de physicien qui font sa renommée. Il étudie de nombreux sujets, notamment les forces d’attraction et de répulsion produites par les objets ayant acquis une charge électrostatique. En expérimentateur rigoureux, il imagine une balance à torsion semblable à celle qu’utilisent des scientifiques de son époque pour l’étude des forces gravitationnelles. Cet instrument lui permet d’énoncer la loi qui porte aujourd’hui son nom et qui permet de calculer la valeur de la force électrostatique entre deux charges.

b) Plus petite est la valeur des charges des corps (q1 et q2), plus faible est la force électrique (FE).

Figure 194 La relation entre la valeur de deux charges et la force électrique lorsque les charges sont à une même distance.

Section 8 L’électricité

183

La loi de Coulomb se traduit par l’équation suivante :

FE 

k q1q2 r2



FE 

Force électrique qui s’exerce entre les corps chargés, exprimée en newtons (N) k Constante de Coulomb, équivalant à 9  109 Nm2/C2 q1 et q2  Valeurs respectives des charges, exprimées en coulombs (C) r Distance séparant les charges, exprimée en mètres (m)

La force électrique entre deux charges décrite par la loi de Coulomb est une force d’attraction si les deux charges sont de signes opposés, et une force de répulsion si les charges sont de même signe. L’exemple suivant montre comment calculer la force électrique entre deux charges. Exemple a) Quelle est la force électrique entre une sphère de charge positive de 5  10–8 C et une autre de charge négative de 2  10–8 C, si les sphères sont à 10 cm de distance ?

Données :

q2  2  108 C

Calcul : kq q FE  12 2 r 9  109 Nm2/C2  5  108 C  2  108 C FE  (0,1 m)2

r  0,1 m

FE  9  104 N

k  9  109 Nm2/C2 q1  5  108 C

FE  ?

b) S’agit-il d’une force d’attraction ou de répulsion ? FE est une force d’attraction, car les charges sont de signes opposés.

Le ruban adhésif Pour qu’un ruban adhésif adhère bien à une surface, il faut appliquer une pression sur le ruban. Cette pression est importante, car elle met en contact étroit les atomes de la surface avec ceux de l’adhésif. Des forces électrostatiques existant entre les atomes contribuent alors grandement à l’adhérence du ruban. La répartition des électrons dans les molécules est rarement uniforme, ce qui entraîne l’existence de zones chargées positivement ou négativement sur chaque molécule. On dit alors que les molécules sont « polaires », car elles ont un pôle positif (charge positive) et un autre négatif (charge négative), et susceptibles d’être attirées par des zones de signes opposés. Ces dispositions des charges créent également par induction d’autres charges électriques de signes opposés : la charge qui induit attire alors la charge induite. Pour que cela se produise, il faut cependant que les molécules soient proches ; c’est pourquoi un ruban adhésif tient mieux s’il a été bien pressé Figure 195 Macrophotographie d’une parcelle de (voir la figure 195 ). ruban adhésif.

184

Chapitre 1 Univers matériel

CONCEPT

8.4 Le champ électrique

STE

Le champ électrique est une région de l’espace où une force électrique créée par un corps chargé peut s’exercer sur un autre corps chargé. Un corps (particule ou objet) chargé électriquement peut exercer à distance une force sur un autre corps chargé. En effet, cette force est créée par un champ de force appelé le champ électrique. Le champ électrique qui se forme autour d’un corps chargé est invisible. Il est cependant possible de l’observer à l’aide d’un procédé simple (voir la figure 196). Pour représenter schématiquement l’aspect du champ électrique, on trace des lignes de champ autour de l’objet chargé. Par convention, les lignes de champ pointent vers l’extérieur, en s’éloignant de l’objet, si celui-ci est chargé positivement. À l’inverse, si la charge de l’objet est négative, les lignes de champ pointent vers l’intérieur, c’est-à-dire en direction de l’objet (voir la figure 197). Les lignes de champ indiquent ainsi la direction de la force électrique agissant sur la charge positive placée à proximité du champ.

Figure 196 Le champ électrique autour d’un objet chargé est rendu visible par des fibres de rayonne baignant dans de l’huile.

*

Fibre textile synthétique * Rayonne fabriquée à partir de cellulose, également appelée « soie artificielle ».

a) Charge positive.

b) Charge négative.

Figure 197 Par convention, les lignes de champ électrique divergent (pointent vers l’extérieur) d’une charge positive et convergent (pointent vers l’intérieur) vers une charge négative.

La distance relative entre les lignes de champ est un moyen graphique couramment utilisé pour représenter l’intensité du champ électrique. Quand l’intensité du champ électrique est grande, les lignes de champ sont rapprochées les unes des autres. Quand l’intensité du champ est petite, les lignes de champ sont espacées, comme c’est aussi le cas lorsqu’on s’éloigne d’une charge (voir la figure 198).

a) Lignes de champ électrique entre deux charges positives de même grandeur et de même signe.

b) Lignes de champ électrique entre deux charges de signes opposés.

Figure 198 Les lignes de champ électrique sont plus rapprochées près des charges pour indiquer que l’intensité du champ est plus forte. Section 8 L’électricité

185

L’intensité du champ électrique (E) dépend de la charge de l’objet (q) qui le produit et de la distance (r) par rapport à l’objet chargé. En effet, l’intensité du champ électrique produit par une charge en un point donné est directement proportionnelle à cette charge et inversement proportionnelle au carré de la distance séparant ce point et la charge. L’équation suivante traduit l’intensité du champ électrique :

E

kq1 r2



E  Intensité du champ électrique, exprimée en newtons par coulomb (N/c) k  Constante de Coulomb, équivalant à 9  109 Nm2/C2 q1  Valeur de la charge, exprimée en coulombs (C) r  Distance séparant la charge d’un point donné, exprimée en mètres (m)

L’exemple suivant montre comment calculer l’intensité du champ électrique. Exemple Quelle est l’intensité du champ électrique créé par une charge négative de 5  10–7 C en un point situé à 10 cm de celle-ci ?

Données :

q1  5  107 C

Calcul : kq E  21 r 9  109 Nm2/C2  5  107 C E (0,10 m)2

r  0,10 m

E  4,5  105 N/C

k  9  109 Nm2/C2

Champ électrique

E? Dans ce cas, les lignes de force sont orientées vers la charge, puisque celle-ci est de signe négatif.

Figure 199 Champ électrique à proximité du cordon d’alimentation d’un appareil électrique.

On peut donc se représenter un champ électrique comme une région de l’espace qui sert à la transmission de la force électrique depuis un objet chargé vers un autre objet chargé. Par exemple, dès qu’un appareil électrique, tel un séchoir à cheveux, est branché à une prise électrique murale, il se crée un champ électrique à proximité du cordon d’alimentation. Le champ électrique existe même si l’appareil n’est pas en fonction. Un objet chargé traversant ce champ électrique subit ainsi une force électrique créée par les charges présentes dans le cordon électrique. Par ailleurs, plus l’objet chargé est éloigné du cordon, plus l’intensité de la force électrique diminue (voir la figure 199).

Le requin-marteau L’activité nerveuse et musculaire des êtres vivants produit un champ électrique de faible intensité. Le requin-marteau, par exemple (voir la figure 200 ), est capable de détecter la présence d’un tel champ électrique, ce qui lui permet de repérer certaines de ses proies comme le gobie. Le gobie est un poisson qui s’enfouit dans le sable des fonds marins lorsqu’il se cache. Son métabolisme génère cependant un champ électrique qui peut être détecté jusqu’à environ 25 cm. Le requin-marteau détecte la présence du gobie, puis entreprend de le localiser précisément en décrivant des mouvements en forme de «huit» dans le champ électrique généré par sa proie.

186

Chapitre 1 Univers matériel

Figure 200 Le requin-marteau a la capacité de détecter les champs électriques générés par le métabolisme de ses proies, puis de localiser celles-ci.

CONCEPT

8.5 Les circuits électriques

ST

STE

ATS

Un circuit électrique est un ensemble de composantes électriques interreliées parcourues par un courant électrique. Nombre d’objets d’utilisation courante, comme une ampoule, un grille-pain, un réfrigérateur ou une perceuse, fonctionnent grâce à l’électricité. Pour fonctionner, tous ces appareils doivent être reliés à une source d’alimentation électrique et faire partie d’un circuit électrique. Le circuit électrique le plus simple forme une boucle, qui comprend une source d’alimentation reliée à un appareil (comme une ampoule) par des fils conducteurs. Dans un circuit électrique, le rôle des conducteurs est de permettre au courant de passer de la source d’alimentation vers les autres composantes du circuit. Le courant électrique correspond à un flux de charges électriques (électrons libres) qui se déplacent dans un conducteur.

Voir La fonction de conduction, d’isolation et de protection, p. 455.

On représente généralement les circuits électriques à l’aide de schémas qui indiquent l’agencement des différentes composantes. Dans ces schémas, les conducteurs, les sources d’alimentation et diverses composantes sont représentés au moyen de symboles normalisés (voir la figure 201).

Voir Les standards et représentations, p. 417.

Pile

Batterie

Génératrice à courant alternatif

Fusible

Conducteur

Moteur

Ampèremètre

Voltmètre

Ampoule

Conducteurs sans contact

Résisteur

Interrupteur (ouvert)

Interrupteur (fermé)

Prise électrique

Conducteurs avec contact

Figure 201 Les symboles normalisés usuels pour représenter différentes composantes des circuits électriques.

8.5.1

Le circuit en série

ST

STE

ATS

Un circuit en série offre un seul chemin au passage du courant électrique. Pour former un circuit en série, on raccorde les différentes composantes avec des conducteurs en formant une boucle unique, de sorte que le courant traverse les composantes l’une après l’autre avant de revenir à la source d’alimentation (voir la figure 202 à la page suivante).

Section 8 L’électricité

187

Par exemple, on peut connecter trois ampoules en série et former une seule boucle. Chaque ampoule est alors traversée par le même courant. Si l’une des ampoules ne fonctionne plus, elle empêche le courant de passer, de sorte que les deux autres ampoules ne sont pas alimentées et ne peuvent pas s’allumer. Généralement, on utilise le circuit en série pour permettre l’insertion de certaines composantes de commande ou de protection, un interrupteur ou un disjoncteur, par exemple, qui agit comme une barrière au passage du courant. Boucle

Sens conventionnel du courant

1 2

3

Figure 202 Un circuit en série.

8.5.2

Le circuit en parallèle

ST

STE

ATS

Un circuit en parallèle offre plusieurs chemins au passage du courant électrique. Le courant total y est alors divisé, et une partie des charges circule dans chaque branche du circuit. Chaque appareil du circuit est alors traversé par une partie seulement du courant total (voir la figure 203). Sens conventionnel du courant Point 1

1

3 branches a)

2

Point 1

3

Point 2

Point 2

1

3 branches

2

Point 3

3

Point 4

b)

Figure 203 Deux exemples de circuits en parallèle comprenant trois branches.

Il y a plusieurs façons de représenter un circuit dans lequel trois ampoules sont connectées en parallèle. On remarque que le point 1 de la figure 203 a est équivalent aux points 1 et 2 de la figure 203 b, tandis que le point 2 de la figure 203 a est équivalent aux points 3 et 4 de la figure 203 b. Dans ces deux circuits, si l’ampoule 1 ne fonctionne pas, les deux autres ampoules allumeront quand même puisque le courant circule dans les autres branches. Le circuit en parallèle est très fréquent dans les installations électriques des habitations, car même si un appareil faisant partie d’une branche ne fonctionne plus, les appareils connectés aux autres branches demeurent alimentés en courant et peuvent fonctionner (voir la figure 204 à la page suivante).

188

Chapitre 1 Univers matériel

Plafonnier

REPÈRE Interrupteur

Disjoncteur Fils conducteurs

15 A 120 V

LE DÉVELOPPEMENT DU RÉSEAU ÉLECTRIQUE AU QUÉBEC Quelques dates importantes

Mise à la terre

Figure 204 Les installations électriques des habitations sont divisées en plusieurs circuits en parallèle dans lesquels des disjoncteurs sont intégrés. Les composantes comme les lampes sont reliées en parallèle le long de chaque branche du circuit, de sorte qu’elles peuvent fonctionner indépendamment les unes des autres.

Un immense circuit : le réseau électrique Le réseau électrique relie les centrales de production électrique aux utilisateurs. Il comprend des lignes à haute tension pour transporter efficacement l’énergie des centrales vers les régions où elle est utilisée. Différents transformateurs électriques séparent le réseau en un ensemble de circuits électriques interreliés. Dans ces immenses circuits, la centrale de production correspond à la source d’alimentation et les lignes de transport correspondent aux conducteurs, tandis que les habitations, les magasins et les usines correspondent aux appareils. D’une certaine façon, on peut dire que les humains vivent au cœur d’un immense circuit électrique (voir la figure 205). On considère qu’un réseau électrique fonctionne adéquatement quand les centrales produisent suffisamment d’énergie pour satisfaire la demande. Le réseau est contrôlé en temps réel pour ajuster l’offre à la demande : c’est la tâche des répartiteurs, lesquels ont trois moyens d’action à leur disposition. Premièrement, ils peuvent modifier la puissance produite par les centrales électriques. Deuxièmement, ils peuvent connecter ou déconnecter certaines lignes du réseau à l’aide d’interrupteurs. Troisièmement, ils peuvent raccorder leur réseau à d’autres réseaux électriques, soit pour obtenir plus de puissance, soit pour fournir de l’énergie à ces réseaux. Ainsi, on peut affirmer que tous les réseaux électriques d’Amérique du Nord sont interreliés et forment un vaste réseau électrique à l’échelle du continent.

1889: Montréal possède un éclairage urbain électrique. 1932-1936 : L’Union catholique des cultivateurs milite en faveur de l’électrification des zones rurales. 1945 : L’électrification des zones rurales est confiée à des coopératives régionales sous la supervision de l’Office de l’électrification rurale. 1953 : Construction de la ligne de transport de 315 kV entre la rivière Betsiamites et Montréal. 1960 : Développement des premières lignes de transport de 735 kV. 1963 : Rachat des coopératives par Hydro-Québec, à la suite de la nationalisation de l’électricité. 1970 : Mise en service de la centrale Manic 5 sur la Côte-Nord. 1972-1996 : Réalisation des phases 1 et 2 du complexe La Grande, composante importante du projet de la Baie-James.

Figure 205 Le réseau de distribution de l’électricité comprend plusieurs types de lignes électriques formant des circuits interreliés.

Section 8 L’électricité

189

CONCEPT

8.6 La loi d’Ohm

ST

STE

ATS

Selon la loi d’Ohm, la tension électrique (différence de potentiel) aux bornes d’une composante d’une résistance donnée est directement proportionnelle à l’intensité du courant électrique. Dans la plupart des circuits électriques, les composantes sont fabriquées avec des matériaux qui sont de bons conducteurs. Toutefois, certaines composantes sont conçues pour s’opposer au passage du courant dans le but de transformer l’énergie électrique en une autre forme d’énergie. C’est le cas, par exemple, d’une ampoule qui transforme l’énergie électrique en lumière et en chaleur. On nomme « résistance électrique » cette difficulté que rencontre le courant électrique à traverser une composante.

8.6.1

Gaine isolante Fil de cuivre

Noyau atomique

Le courant électrique et son intensité (I )

ST

STE

ATS

Dans un circuit formé de conducteurs métalliques, le courant électrique correspond à un flux de charges électriques portées par les électrons libres des atomes dont sont constitués les conducteurs. Ce flux est généré par une source d’alimentation (pile ou génératrice). Le courant électrique est possible lorsque certains électrons de métaux, comme le cuivre, peuvent facilement quitter la proximité de leur noyau atomique. On nomme de tels électrons des « électrons libres » (voir la figure 206). Ils circulent d’un atome à l’autre à la vitesse de quelques fractions de centimètre par seconde. Mais, un peu à l’image de dominos qui Atome tombent les uns sur les autres, il se produit une réaction en chaîne tout au long du fil, et la charge électrique se propage comme une onde, à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Protons

Le courant continu1 se déplace dans un seul sens, de la source vers un appareil, par exemple une ampoule, qu’il traverse pour compléter une boucle et retourner Figure 206 Une représentation d’électrons libres en mouvement dans un fil de cuivre. vers la source. Ce sont des sources d’alimentation telles les piles et les batteries qui produisent le courant continu. Pour sa part, le courant alternatif est obtenu Voir La fonction d’alimentation, p. 453. par une génératrice, comme celles qu’on utilise dans les centrales électriques. Électrons libres en déplacement

Électrons

Le sens du courant Par convention, on considère que le courant circule de la borne positive vers la borne négative. Cette convention a pour origine le contexte dans lequel ont eu lieu les premières découvertes sur l’électricité à la fin du 18e siècle. Avant la découverte de l’électron (Thomson, 1897), les scientifiques qui réalisaient des expé1. Bien qu’il existe deux types de courant électrique, soit le courant continu et le courant alternatif, seul le courant continu est pris en compte dans la présente section.

190

Chapitre 1 Univers matériel

riences avec les courants électriques émettent l’hypothèse que des charges positives se déplacent et constituent le courant électrique dans un circuit. Ils imaginent que les charges positives sortent de la borne positive de la source pour effectuer le trajet du circuit, puis reviennent à la source par la borne négative. C’est ainsi qu’ils ont établi ce qu’on nomme le « sens conventionnel » du courant. Toutefois, bien que le sens conventionnel soit encore utilisé aujourd’hui pour décrire le sens du courant électrique, il importe de savoir que les électrons circulent en réalité dans la direction opposée, soit de la borne négative vers la borne positive.

Le calcul de l’intensité du courant Tout comme il est possible de connaître le débit d’eau dans une conduite en mesurant le nombre de litres d’eau qui y coulent par seconde, il est possible de connaître le débit des charges électriques qui circulent dans un conducteur. On appelle intensité du courant (I) la quantité de charges électriques qui passent dans un conducteur pendant un intervalle de temps donné. On la calcule en divisant la charge électrique (q), exprimée en coulombs, par un intervalle de temps (t), exprimé en secondes. L’intensité du courant électrique est alors exprimée en coulombs par seconde (C/s). Or, l’unité de mesure de l’intensité dans le système métrique international est l’ampère (A), qui se définit ainsi : 1 A  1 C/s. L’équation suivante traduit la définition de l’intensité du courant électrique :

I

q t



I  Intensité du courant, exprimée en ampères (A) q  Charge, exprimée en coulombs (C) t  Intervalle de temps, exprimé en secondes (s)

Les exemples A et B montrent comment on peut utiliser cette équation pour effectuer des calculs. Exemple A Le flash d’un appareil photo emmagasine 45 mC et l’éclair ne dure que 1/500 s. Quelle est l’intensité du courant électrique qui traverse le flash ?

Données : 10–2 C

q  4,5  t  2,0  10–3 s I?

Calcul : q I t 4,5  10–2 C I 2,0  10–3 s I  22,5 A

REPÈRE

ANDRÉ-MARIE AMPÈRE Physicien et mathématicien français (1775-1836) Même si l’ensemble de ses travaux passe presque inaperçu de son vivant, Ampère est un des scientifiques les plus importants du 19 e siècle. Ampère oriente ses recherches dans des domaines aussi variés que la philosophie des sciences et les mathématiques. Ses recherches les plus importantes portent toutefois sur les relations existant entre l’électricité et le magnétisme. Il est, de plus, l’inventeur de l’électroaimant. C’est en son honneur que l’unité de courant électrique est nommée ampère (A).

Exemple B

Données : I5A t  300 s (300 s  5 min  60 s/min) q?

Calcul : q I t

donc

q  I  t q  5 A  5 min q  5 A  300 s q  1 500 C

Par ailleurs, il est possible de mesurer directement l’intensité du courant électrique. Il suffit de brancher un ampèremètre en série sur le circuit afin que la totalité du courant le traverse.

OUTIL

Une ampoule est traversée par un courant de 5 A. Quelle est la charge électrique totale qui traverse cette ampoule en 5 minutes ?

11.12

La mesure de l’intensité du courant électrique

Section 8 L’électricité

191

8.6.2

La tension électrique (U)

ST

STE

ATS

A

B

Diminution d’énergie

Augmentation d’énergie

Dans un circuit, c’est la source d’alimentation qui engendre la circulation des charges, ce qui crée le courant électrique. Le potentiel électrique correspond à l’énergie qui peut être fournie par des charges qui circulent dans un courant électrique. C

D

Figure 207 La tension électrique (différence de potentiel) correspond à l’énergie transférée entre deux points d’un circuit. Entre les points A et B, la source d’alimentation transfère de l’énergie aux charges tandis qu’entre les points C et D, les charges transfèrent de l’énergie à l’ampoule.

Quand une charge traverse une composante d’un circuit, par exemple une ampoule, son énergie est transférée à l’ampoule, ce qui lui permet de s’allumer. La charge poursuit ensuite son trajet dans le circuit jusqu’à ce qu’elle traverse à nouveau la source d’alimentation qui lui fournit l’énergie correspondant à celle qui a servi à allumer l’ampoule (voir la figure 207). La tension électrique, aussi appelée « différence de potentiel », correspond à la différence entre l’énergie des charges à l’entrée et à la sortie d’une composante.

Le calcul de la tension électrique La tension électrique entre deux points d’un circuit est une variation d’énergie par unité de charge. On la calcule en divisant la valeur de l’énergie transférée (E), exprimée en joules (J), par la charge (q), exprimée en coulombs (C). La tension électrique est alors exprimée en joules par coulomb (J/C). Or, l’unité de mesure de la tension dans le système métrique international est le volt (V), qui se définit ainsi : 1 V  1 J/C. L’équation suivante traduit la définition de la tension électrique : U

E q



Ù

U  Tension électrique, exprimée en volts (V) E  Variation d’énergie ou énergie transférée, exprimée en joules (J) q  Charge, exprimée en coulombs (C)

Les exemples C et D montrent comment on peut utiliser cette équation pour effectuer des calculs. Exemple C

Exemple D

Quelle est la tension électrique aux bornes d’un amplificateur, si une charge de 36 C lui transfère une énergie de 4 250 J ?

Une décharge d’électricité statique entre les doigts d’une personne et une poignée de porte transfère 0,05 J d’énergie électrique à l’aide d’une tension électrique de 50 000 V. Quelle est la quantité de charges transférées lors de l’étincelle ?

Données :

Données :

OUTIL

q  36 C E  4 250 J U?

CalculE : U q 4 250 J 36 C U  118 V U

11.11

La mesure de la tension du courant électrique

192

Chapitre 1 Univers matériel

E  0,05 J U  50 000 V q?

Calcul : E U q

donc

q

E U

0,05 J 50 000 V q  1  10–6 C ou 1 μC q

Par ailleurs, il est possible de mesurer directement la tension électrique à l’aide d’un voltmètre.

Le lien entre le courant, l’énergie et la tension électrique Il est possible de connaître la quantité d’énergie qui sera fournie à une composante d’un circuit électrique, par exemple une ampoule (comme celle du circuit de la figure 207), à l’aide de l’équation suivante : E  UIt



E  Variation d’énergie, exprimée en joules (J) U  Tension électrique, exprimée en volts (V) I  Intensité, exprimée en ampères (A) t  Durée de fonctionnement, exprimée en secondes (s)

On obtient cette équation à partir des deux équations présentées plus haut (voir les pages 191 et 192), soit : • l’équation 1, qui traduit la définition de l’intensité du courant électrique : q I (1) t

• l’équation 2, qui traduit la définition de la tension électrique : E U (2) q

En effet, l’alimentation électrique du circuit ayant une tension électrique U, l’énergie E fournie à l’ampoule est obtenue à partir de l’équation 2 de la façon suivante : E U donc : E  Uq (3) q où q  Charge traversant l’ampoule (C) Comme l’intensité du courant électrique I est exprimée par l’équation 1 de la façon suivante : q I donc : q  It (4) t En substituant It (équation 4) à q dans l’équation 3, on obtient : E  UIt . Selon cette équation, la quantité totale d’énergie électrique fournie à une composante d’un circuit, par exemple une ampoule, dépend de trois facteurs : la tension électrique (U ) fournie à chaque unité de charge par la source d’alimentation, l’intensité du courant (I ), c’est-à-dire la quantité de charge traversant l’ampoule à chaque seconde, et l’intervalle de temps (t) pendant lequel les charges traversent l’ampoule. Ainsi, plus la tension électrique (U ) par unité de charge, l’intensité du courant (I ) et la durée de fonctionnement de l’ampoule (t) sont élevées, plus il y a d’énergie fournie à l’ampoule. Dans une boucle complète du circuit, les charges retournent à la source d’alimentation, qui fournit la même quantité d’énergie que celle ayant servi à allumer l’ampoule. Les exemples E et F montrent comment on peut utiliser cette équation pour effectuer des calculs. Exemple E

Exemple F

Quelle est la quantité d’énergie consommée en 8 heures par une ampoule traversée par un courant de 5 A, si la tension est de 120 V ?

Quelle est la tension aux bornes d’un séchoir à cheveux traversé par un courant de 5 A pendant 540 secondes, s’il consomme ainsi 3,2  105 J ?

Données :

Calcul :

Données :

Calcul :

t  8 h (28 800 s) I5A U  120 V E  ?

E  UIt E  120 V  5 A  28 800 s E  1,73  107 J

I5A t  540 s E  3,2  105 J

E  UIt donc U 

U?

E It

3,2  105 J 5 A  540 s U  119 V

U

Section 8 L’électricité

193

8.6.3

La résistance (R ) et la loi d’Ohm

ST

STE

ATS

La loi d’Ohm stipule que la quantité de courant qui circule dans un circuit, et par conséquent la quantité d’énergie qui peut être distribuée à une composante de ce circuit, dépend de deux facteurs : la tension électrique fournie par la source et la résistance électrique du circuit. La résistance électrique est l’opposition rencontrée par le flux de charges électriques le long du circuit. Ampèremètre

Voltmètre

On peut déterminer expérimentalement la valeur de la résistance électrique d’une composante d’un circuit. Pour ce faire, une composante, par exemple une ampoule, est reliée à une source de courant qui produit des tensions électriques (U ) variables qu’on peut mesurer à l’aide d’un voltmètre branché aux bornes de l’ampoule. Un courant, qu’on mesure avec un ampèremètre, circule donc dans ce circuit (voir la figure 208). Pour chaque valeur de tension, l’intensité du courant (I ) est mesurée et notée. Les données recueillies permettent de constater de quelle façon la tension et l’intensité du courant varient. C’est avec ces données qu’on trace le diagramme de la tension en fonction du courant (voir la figure 209).

Figure 208 La détermination expérimentale de la loi d’Ohm.

Le taux de variation de la droite du diagramme présenté dans la figure 209, qu’on détermine en calculant le rapport U/I, est une constante. Cette constante correspond à la résistance de l’ampoule. Comme on la calcule en divisant la valeur de la tension (U ), exprimée en volts, par l’intensité (I ), exprimée en ampères, la résistance est alors exprimée en volts par ampère. Or, l’unité de mesure de la résistance dans le système métrique international est l’ohm (), qui se définit ainsi : 1 V/A = 1 . L’équation suivante traduit la loi d’Ohm :

Tension (V)

1,47

1,04

0,64 0,31

R

0

0,12

0,25 0,40 Intensité (A)

U I



0,57

Figure 209 Le diagramme présentant la relation entre la tension électrique et l’intensité du courant. La tension électrique est directement proportionnelle à l’intensité du courant.

R  Résistance, exprimée en ohms () U  Tension électrique, exprimée en volts (V) I  Intensité du courant, exprimée en ampères (A)

La loi d’Ohm est utilisée, entre autres, pour connaître la valeur de la résistance de composantes telles que des ampoules, des appareils, des résisteurs ou des câbles électriques. Les exemples G et H montrent comment on peut utiliser l’équation de la loi d’Ohm afin d’effectuer divers calculs.

Exemple G

Exemple H

Quelle est la résistance d’une ampoule reliée à une source de 120 V et traversée par un courant de 2,5 A ?

La résistance d’un haut-parleur installé dans une voiture est de 8 , alors que l’autoradio est branché à une source d’alimentation de 6 V. Quelle est l’intensité maximale de courant pouvant parcourir le haut-parleur ?

Données : U  120 V I  2,5 A R?

194

Calcul : U R I 120 V R 2,5 A R  48 

Chapitre 1 Univers matériel

Données : R8 U6V I?

Calcul : U R I

donc

U R 6V I 8 I  0,75 A I

La tension de 735 000 V Les câbles utilisés pour le transport de l’électricité sont fabriqués avec de très bons conducteurs électriques, comme le cuivre. Toutefois, plus un conducteur est long, plus il offre de résistance au passage du courant électrique. Comme ces lignes de transport s’étendent sur des milliers de kilomètres de longueur, leur résistance est donc considérable. Le transport de l’électricité sous de fortes tensions dans des lignes appelées « lignes à haute tension » est une solution au problème posé par cette résistance. Au Québec, en 1965, on développe la technologie des lignes de transport de 735 000 V pour permettre le transport du courant électrique sur des distances supérieures à un millier de kilomètres, puisque les rivières du Québec propices aux grands projets de centrales hydroélectriques sont situées au nord du territoire, loin des centres urbains. En pratique, pour des raisons de sécurité, les hautes tensions ne sont utilisées que pour le transport sur de longues distances, alors que les moyennes et basses tensions sont utilisées pour la distribution de l’électricité dans les zones de consommation (voir la figure 210). La réduction de la tension a lieu dans des postes de réduction de tension dotés de puissants transformateurs. On minimise ainsi les importantes pertes d’énergie électrique sans créer de risques pour les usagers.

Haute tension

Centrale Baisse de tension

Baisse de tension

Baisse de tension

Figure 210 Pour minimiser les pertes, le transport de l’électricité se fait sous de très hautes tensions. Ces tensions sont toutefois abaissées tout au long du parcours suivi par l’électricité, depuis la centrale jusqu’aux habitations.

Cerveau électrique Le cerveau a une activité électrique qu’il est possible de mesurer en appliquant sur le crâne d’une personne des électrodes qui détectent les variations de la tension électrique sur la peau du cuir chevelu. Les tensions mesurées sont cependant très faibles, à peine quelques dizaines de microvolts (V). La représentation graphique de leurs variations en fonction du temps donne l’électroencéphalogramme (EEG), dont les courbes varient selon l’emplacement des électrodes et l’activité cérébrale de la personne (niveau d’attention, différentes phases du sommeil, etc.) (voir la figure 211 ). Durant le sommeil paradoxal, phase du sommeil au cours de laquelle la plupart des rêves ont lieu, l’EEG est semblable à celui d’une personne éveillée.

Figure 211 Quelques exemples d’ondes cérébrales.

Section 8 L’électricité

195

CONCEPT

8.7 Les lois de Kirchhoff

STE

Les lois de Kirchhoff permettent de calculer les valeurs de l’intensité du courant (I ) et de la tension électrique (U ) dans les circuits en série et les circuits en parallèle. La disposition des composantes dans un circuit électrique influence la façon dont la tension et le courant se répartissent et transfèrent l’énergie dans les différentes parties de ce circuit. Lors de l’étude des circuits électriques, il convient d’utiliser des termes précis pour désigner leurs différentes parties. Une boucle est un trajet complet (circuit fermé) qui permet aux charges de revenir à leur point de départ. Un nœud est un point où un circuit se sépare en deux branches ou plus, ou encore un point où deux branches ou plus se rejoignent pour former une seule branche (voir la figure 212). Branches

Nœud a) Ce circuit en série présente une boucle, mais il ne comporte aucun nœud.

b) Ce circuit en parallèle comporte deux nœuds et trois branches.

Figure 212 Les branches et les nœuds dans des circuits électriques.

8.7.1

La première loi de Kirchhoff

STE

La première loi de Kirchhoff concerne l’intensité du courant (I) et traduit le fait que les charges ne s’accumulent à aucun endroit du circuit. En d’autres termes, toute charge qui arrive à un nœud ou à une composante doit en repartir. Ainsi, la somme des intensités qui entrent dans un nœud ou une composante est égale à la somme des intensités qui en sortent (voir la figure 213). On appelle parfois la première loi de Kirchhoff la « loi des courants ». I1

I2 I1

IT 1

1

I3 2

I2

3

2 3

IT

I3

IT  I1  I2  I3 a) L’intensité du courant dans un circuit en série est la même partout dans la boucle.

Figure 213 La première loi de Kirchhoff.

196

Chapitre 1 Univers matériel

IT

IT  I1  I2  I3 b) L’intensité du courant dans un circuit en parallèle se divise dans chaque branche.

Les exemples suivants montrent comment la première loi de Kirchhoff s’applique pour calculer l’intensité du courant dans des circuits en série et en parallèle. Exemple A Quelle est l’intensité totale du courant dans le circuit en série représenté dans la figure 213 a, si l’intensité du courant qui traverse l’ampoule 2 est de 15 A ?

Données :

Calcul :

I2  15 A IT  ?

IT  I1  I2  I3 IT  15 A  15 A  15 A IT  15 A REPÈRE

Exemple B Quelle est l’intensité totale du courant qui entre dans le premier nœud du circuit en parallèle représenté dans la figure 213 b, si l’intensité du courant qui traverse les ampoules 1, 2 et 3 est respectivement de 3 A, de 8 A et de 4 A ?

Données :

Calcul :

I1  3 A I2  8 A I3  4 A IT  ?

IT  I1  I2  I3 IT  3 A  8 A  4 A IT  15 A

8.7.2

La deuxième loi de Kirchhoff

STE

La deuxième loi de Kirchhoff concerne la tension électrique (différence de potentiel) et est une application de la loi de la conservation de l’énergie. Cette loi stipule que, quel que soit le trajet suivi par les charges dans un circuit, l’énergie totale acquise par les charges en passant par la source d’alimentation est transmise entièrement aux composantes du circuit. Ainsi, lors d’un trajet des charges, la somme de toutes les augmentations de tension électrique fournies par la ou les sources d’alimentation est égale à la somme de toutes les diminutions de tension électrique subies lors des transferts d’énergie (voir la figure 214). On appelle parfois la deuxième loi de Kirchhoff la « loi des tensions ».

GUSTAV ROBERT KIRCHHOFF Physicien allemand (1824-1887) Gustav Robert Kirchhoff doit sa renommée au fait qu’il établit des lois relatives au courant dans les circuits électriques, alors même qu’il est encore étudiant. C’est cependant dans le domaine de l’étude des spectres lumineux qu’il apporte ses plus grandes contributions à la science. Entre autres, ses recherches à ce sujet ont permis de constater, par l’observation astronomique, que les étoiles sont des objets lointains très similaires au Soleil et que leur spectre permet d’identifier leur composition chimique. Voir La loi de la conservation de l’énergie, p. 152.

U1

UT

U2

UT

U1

U2

U3

U3

UT  U1  U2  U3 a) La tension électrique dans un circuit en série se répartit dans chaque composante du circuit.

UT  U1  U2  U3 b) La tension électrique dans un circuit en parallèle est la même dans chaque branche du circuit.

Figure 214 La deuxième loi de Kirchhoff. Section 8 L’électricité

197

Les exemples suivants montrent comment la deuxième loi de Kirchhoff s’applique pour calculer la tension électrique dans des circuits en série et en parallèle. Exemple C

Exemple D

Quelle est la tension électrique aux bornes de la source d’alimentation du circuit en série représenté par la figure 214 a, si les tensions aux bornes des ampoules sont respectivement de 10 V, de 5 V et de 5 V ?

Quelle est la tension électrique aux bornes de la source d’alimentation du circuit en parallèle représenté par la figure 214 b, si la tension électrique aux bornes de l’ampoule 2 est de 20 V ?

Données :

Calcul :

U1  10 V U2  5 V U3  5 V UT  ?

UT  U1  U2  U3 UT  10 V  5 V  5 V UT  20 V

8.7.3

Données : U2  20 V UT  ?

Calcul : UT  U1  U2  U3 UT  20 V  20 V  20 V UT  20 V

Les lois de Kirchhoff dans un circuit en série

STE

En faisant appel aux lois de Kirchhoff, on peut déterminer la tension électrique dans l’une ou l’autre des composantes (une ampoule, un résisteur ou tout autre appareil) d’un circuit en série. L’exemple suivant montre comment s’effectuent de tels calculs. Exemple E 30 V

À partir de la figure ci-contre, calculer :

10 A

a) la tension électrique (U2) aux bornes du résisteur 2 ; b) l’intensité du courant (I3) traversant le résisteur 3.

10 A

R1 10 A

R2

120 V

U2

R3 I3 50 V

Le calcul de la tension électrique (U2) aux bornes du résisteur 2 La tension électrique aux bornes de la source d’alimentation de ce circuit est de 120 V. Selon la deuxième loi de Kirchhoff, cette tension est distribuée parmi les résisteurs de telle sorte que le total des tensions mesurées soit de 120 V. Par conséquent :

Données :

Calcul :

UT  120 V U1  30 V U3  50 V U2  ?

UT U1  U2  U3 donc U2  UT  (U1  U3) U2  120 V  (30 V  50 V) U2  40 V

198

Chapitre 1 Univers matériel

Le calcul de l’intensité du courant (I3) traversant le résisteur 3 Ce circuit ne compte qu’une boucle et ne présente aucun nœud. Selon la première loi de Kirchhoff, la somme des courants qui entrent dans chaque résisteur est égale à la somme des courants qui en sortent. Par conséquent :

Données :

Calcul :

I1  10 A I2  10 A I3  ?

IT  I1  I2  I3 IT  I1  I2  I3  10 A I3  10 A

8.7.4

Les lois de Kirchhoff dans un circuit en parallèle

STE

En faisant appel aux lois de Kirchhoff, on peut également déterminer la tension électrique ou le courant dans l’une ou l’autre des composantes d’un circuit en parallèle. L’exemple suivant montre comment s’effectuent de tels calculs. Exemple F À partir de la figure ci-dessous, calculer : a) la tension électrique (U2) aux bornes du résisteur 2 ; b) l’intensité du courant (I3) traversant le résisteur 3.

IT = 12 A Nœud

I3

3A 3A 100 V

100 V

R1

R2

U2 R 3

100 V

Nœud

IT

Le calcul de la tension électrique (U2) aux bornes du résisteur 2 Ce circuit compte trois boucles. Selon la deuxième loi de Kirchhoff, la tension totale dans un circuit en parallèle est la même dans chaque branche du circuit. Par conséquent :

Données :

Calcul :

UT  100 V U1  100 V U3  100 V U2  ?

UT  U1  U2  U3 UT  U1  U2  U3  100 V U2  100 V

8.7.5

Les résistances équivalentes

Le calcul de l’intensité du courant (I3) traversant le résisteur 3 Ce circuit comporte deux nœuds. Selon la première loi de Kirchhoff, la somme du courant qui arrive à ces nœuds est égale à la somme du courant qui les quitte. Par conséquent :

Données :

Calcul :

IT  12 A I1  3 A I2  3 A I3  ?

IT  I1  I2  I3 donc I3  IT  (I1  I2) I3  12 A  (3 A  3 A) I3  6 A

STE

L’application combinée des lois de Kirchhoff et de la loi d’Ohm permet de déterminer la résistance équivalente d’un circuit comprenant une combinaison de composantes en série ou en parallèle. La résistance équivalente correspond à la résistance totale d’un circuit.

Voir La loi d’Ohm, p. 194.

Section 8 L’électricité

199

La résistance équivalente de résisteurs en série Dans un circuit en série, le courant ne peut s’engager que dans une seule boucle et traverse successivement les résisteurs qui sont sur son passage. L’intensité du courant qui traverse l’ensemble d’un circuit en série est la même dans chacun de ses résisteurs, et la résistance totale du circuit est égale à la somme des résistances individuelles (voir la figure 215). IT

I1 R1 R2 R3

I3

I2

RT  R1  R2  R3 Figure 215 La résistance équivalente (RT) dans un circuit en série équivaut à la somme des résistances.

Calculer la résistance totale d’un circuit en série comme celui de la figure 215 consiste à trouver la résistance équivalente susceptible de remplacer toutes celles du circuit. L’encadré suivant montre de façon détaillée comment l’application combinée des lois de Kirchhoff et d’Ohm permet de déterminer la résistance équivalente d’un circuit comprenant plusieurs résisteurs branchés en série. Selon la 1re loi de Kirchhoff, on a : UT  U1  U2  U3 ... Puisque, selon la loi d’Ohm, U  RI, on établit alors : RTIT  R1I1  R2I2  R3I3 ... En éliminant l’intensité du courant des termes de cette équation, puisque IT  I1  I2  I3 ... selon la 2e loi de Kirchhoff, on obtient :

RT  R1  R2  R3 ...

L’exemple suivant montre comment on peut utiliser l’équation de la résistance équivalente de résisteurs en série. Exemple G Calculer la résistance équivalente d’un circuit en série comportant quatre résisteurs, de 15 , 20 , 45  et 100 .

Données :

Calcul :

R1  15  R2  20  R3  45  R4  100  RT  ?

RT  R1  R2  R3  R4 RT  15   20   45   100  RT  180 

La résistance équivalente du circuit est donc de 180 .

200

Chapitre 1 Univers matériel

La résistance équivalente de résisteurs en parallèle IT

Dans un circuit en parallèle, le courant total se divise et se distribue parmi toutes les boucles du circuit. L’intensité du courant qui traverse l’ensemble d’un circuit en parallèle est égale à la somme des intensités du courant circulant dans chaque boucle ; et l’inverse de la résistance totale du circuit est égal à la somme de l’inverse des résistances individuelles (voir la figure 216). Dans un circuit en parallèle, l’effet de chaque résisteur est partagé entre les différentes branches. La résistance totale du circuit diminue avec chaque ajout de résisteur.

I1 I3 R1

Calculer la résistance totale d’un circuit en parallèle comme celui de la figure 216 revient, en fait, à trouver la résistance équivalente qui remplacerait toutes les résistances du circuit. L’encadré suivant illustre comment l’application combinée des lois de Kirchhoff et d’Ohm permet de déterminer la résistance équivalente d’un circuit comprenant plusieurs résisteurs branchés en parallèle.

I2

R2

R3

IT

1 1 1 1    RT R1 R2 R3 Figure 216 L’inverse de la résistance équivalente ( R1 ) dans T

un circuit en parallèle équivaut à la somme de l’inverse des résistances.

Selon la 1re loi de Kirchhoff, on a : IT  I1  I2  I3 ... Puisque, selon la loi d’Ohm, I 

U U U U U , on établit alors : T  1  2  3 ... RT R1 R2 R3 R

En éliminant la tension (U) des termes de cette équation, puisque UT  U1  U2  U3 ... selon la 2e loi de Kirchhoff, on obtient : 1 1 1 1    ... RT R1 R2 R3

L’exemple suivant montre comment on peut utiliser l’équation de la résistance équivalente de résisteurs en parallèle. Exemple H Calculer la résistance équivalente du circuit en parallèle représenté à la figure 216, si R1 = 2 , R2 = 4  et R3 = 6 .

Données : R1  2  R2  4  R3  6  RT  ?

Calcul : 1 1 1 1    RT R1 R2 R3 1 1 1 1    2 4 6 RT 1 632  RT 12  11 1  12  RT Donc : RT 

12   1,09  11

Section 8 L’électricité

201

L’analyse détaillée des circuits À l’aide des lois de Kirchhoff et de la loi d’Ohm, on peut analyser en détail un circuit électrique et déterminer la valeur exacte de l’intensité du courant, de la tension électrique et de la résistance, pour une partie donnée du circuit. Les exemples suivants montrent comment on effectue les calculs.

Exemple I Quelle est la valeur de chaque résistance dans le circuit en série représenté par la figure ci-contre ? • À l’aide des lois de Kirchhoff, on peut déterminer que : – l’intensité du courant qui traverse chaque résisteur de ce circuit en série est équivalente à 10 A (car IT  I1  I2  I3  10 A) ; – la tension U2 = UT – (U1  U3)  120 V – (30 V  50 V)  40 V.

30 V 10 A

R1 10 A

R2

120 V

R2  4 

U2

R3

• À l’aide de la loi d’Ohm, il est possible de déterminer les données manquantes : U U  RI, alors R  I U U Résisteur 1 : R1  1 Résisteur 2 : R2  2 Résisteur 3 : R3  I I 30 V 40 V R1  R2  R3  10 A 10 A

R1  3 

10 A

I3 50 V

U3 I 50 V 10 A

R3  5 

Exemple J Quelle est la valeur de chaque résistance dans le circuit en parallèle représenté par la figure ci-contre ? • À l’aide des lois de Kirchhoff, on peut déterminer que : – l’intensité du courant qui traverse le résisteur 3, I3  IT – (I1  I2)  12 A – (3 A  3 A)  6 A ; – la tension UT est de 100 V (car UT  U1  U2  U3  100 V).

12 A

3A 100 V

• À l’aide de la loi d’Ohm, il est possible de déterminer les données manquantes :

U1 I 100 V R1  3A

Résisteur 1 : R1 

R1  33,3 

202

Chapitre 1 Univers matériel

U2 I 100 V R2  3A

Résisteur 2 : R2 

R2  33,3 

U3 I 100 V R3  6A

Résisteur 3 : R3 

R3  16,7 

100 V 3 A

R1

R2

3 A U2 R3

I3 100 V

CONCEPT

8.8 La relation entre la puissance et l’énergie électrique ST STE ATS

La puissance électrique est la quantité d’énergie électrique consommée ou fournie par un appareil électrique, par unité de temps. La puissance électrique est la quantité d’énergie électrique par unité de temps fournie par une source d’alimentation ou, encore, consommée par un appareil (ou une composante quelconque transformant l’énergie). Elle représente en quelque sorte le taux auquel l’énergie est fournie ou consommée. On la calcule en divisant la valeur de l’énergie électrique (E), exprimée en joules, par l’intervalle de temps (t) pendant lequel l’énergie est fournie ou consommée. L’équation suivante exprime la puissance électrique :

P

E (1) t



P  Puissance, exprimée en joules par seconde (J/s) E  Énergie, exprimée en joules (J) t  Intervalle de temps, exprimé en secondes (s)

La puissance est exprimée en joules par seconde. Toutefois, l’unité de mesure de la puissance dans le système international d’unités est le watt (W). Un watt correspond à un joule d’énergie fournie ou consommée par seconde, donc 1 W  1 J/s. Deux appareils de puissances différentes peuvent fournir ou consommer la même énergie électrique, mais l’appareil le plus puissant la fournit plus rapidement ou en consomme davantage pour le même temps d’utilisation. L’énergie électrique (E ) de l’intensité fournie ou consommée par un appareil dépend de la tension électrique (U ), de l’intensité du courant (I ) et de la durée (t) de fonctionnement de l’appareil ; elle s’exprime selon l’équation suivante :

E  UIt (2) À partir des équations 1 et 2, on peut établir une autre équation exprimant la puissance électrique : En remplaçant E par UIt dans on obtient : et en simplifiant :

P  UI



E t UIt P  t P  UI

REPÈRE

JAMES WATT

Mathématicien et ingénieur écossais (1736-1819) Vers 1765, James Watt perfectionne un moteur à vapeur assez efficace pour faire fonctionner des machines industrielles. Ce moteur, appelé moteur de Watt, contribue grandement à l’essor de la révolution industrielle alors naissante, en fournissant de l’énergie mécanique qui permet d’accroître les capacités de production. Watt introduit une nouvelle unité de mesure qu’il appelle « cheval-vapeur » afin de comparer la puissance fournie par les machines à vapeur. L’unité de puissance du système international d’unités, le watt (W), porte son nom.

P 

P  Puissance, exprimée en watts (W) U  Tension électrique, exprimée en volts (V) I  Intensité du courant, exprimée en ampères (A)

Cette équation exprime la puissance électrique en fonction de la tension électrique et de l’intensité du courant, et elle permet de calculer la puissance qui peut être fournie ou consommée par un appareil.

Section 8 L’électricité

203

L’exemple suivant montre comment on peut utiliser cette équation. Exemple Quel est le courant qui traverse un four micro-ondes de 1500 W utilisé sous une tension de 120 V ?

Données :

Calcul :

P  1 500 W U  120 V I ?

P  UI donc I 

P U 1 500 W I 120 V I  12,5 A

Le kilowattheure Dans le système international d’unités, l’énergie se mesure en joules (J). Un joule représente une très faible quantité d’énergie. Par exemple, une ampoule de 100 W allumée pendant une heure, soit 3 600 s, consomme 360 000 J. À raison de 8 heures par jour, pendant 30 jours, elle consomme 86 400 000 J. Le joule n’est pas une unité adaptée pour mesurer la consommation électrique d’une habitation ou d’une ville, parce qu’il ne s’inscrit pas dans une échelle appropriée à cette utilisation. L’industrie de la distribution d’électricité a donc adopté une autre unité : le kilowattheure (kWh). Un kilowattheure représente l’énergie consommée par une ampoule de 1 000 W (ou 10 ampoules de 100 W) pendant une heure. Cette définition sert de base pour la conversion en joules : 1 kWh  1 000 W  3 600 s  3 600 000 J Ainsi, une ampoule de 100 W allumée 8 heures par jour pendant 30 jours consomme 24 kWh.

Pour faire le point La charge électrique

ST

STE

ATS

(pages 174 à 179) 1. Formulez la loi des charges électriques. 2. Pourquoi un métal comme le cuivre est-il un bon conducteur d’électricité, alors que le verre est un bon isolant ? 3. Nommez les trois façons de charger électriquement un objet. 4. Quelles sont les charges transférées lorsqu’un objet est chargé ? 5. On touche un électroscope à feuilles métalliques avec un objet chargé négativement. Quelle est la nature de la charge sur les feuilles de l’électroscope ? Pourquoi ? 6. Décrivez une expérience qui permettrait de déterminer la charge d’une petite sphère

204

Chapitre 1 Univers matériel

SECTION

8

L’électricité

métallique suspendue à une ficelle. Le matériel à utiliser est une tige de verre et du coton. 7. Combien d’électrons compte un atome dont le noyau possède une charge de 4  10–18 C ? 8. Expliquez ce que signifie un coulomb de charge positive sur un objet.

L’électricité statique

ST

STE

ATS

(pages 180 à 182) 9. Qu’est-ce que l’électricité statique ? 10. Que se produit-il lorsqu’il y a trop d’électricité statique accumulée sur un objet ? 11. Donnez deux exemples d’application de l’électricité statique dans la vie quotidienne. 12. Expliquez sommairement l’origine des éclairs qui se produisent lors des orages.

La loi de Coulomb

STE

(pages 183 et 184)

13. Quels sont les deux facteurs qui déterminent la grandeur de la force électrique ? 14. a) Quelle est la grandeur de la force entre deux petites sphères séparées de 0,5 m, si chacune a une charge de 1,2  10–10 C ? b) S’agit-il d’une force d’attraction ou de répulsion ?

Le champ électrique

STE

27. Un ordinateur a une résistance totale de 48  et est alimenté par un courant de 2,3 A. Quelle est la tension électrique aux bornes du bloc d’alimentation de cet ordinateur?

Les lois de Kirchhoff

STE

28. Déterminez la valeur des paramètres manquants dans les circuits suivants. a)

(pages 185 et 186) U1

15. Qu’est-ce que le champ électrique ? 16. a) Quelle est l’intensité d’un champ électrique à 0,8 m d’une petite sphère portant une charge positive de 2,1  10–9 C ? b) Dans quelle direction les lignes de champ sont-elles orientées ?

Les circuits électriques

(pages 196 à 202)

ST

STE

6A

IT

R1 42 V

(pages 187 à 189)

I3

17. Quelle est la principale différence entre un circuit en série et un circuit en parallèle ?

U3

La loi d’Ohm

ST

STE

ATS

(pages 190 à 195)

I2

I2

U2

6V

R3 = 2 

ATS

18. Tracez le schéma d’un circuit électrique comprenant deux ampoules et un moteur qui sont a) branchés en série ; b) branchés en parallèle.

R2

b) IT

UT

R1

2 A 12 V R2

19. Qu’est-ce que l’intensité du courant électrique ? 20. Une charge électrique de 600 C traverse un séchoir à cheveux pendant 2 minutes. Quelle est l’intensité du courant électrique qui traverse le séchoir à cheveux ?

R1 = R2

22. Quelle est la tension électrique aux bornes d’un petit moteur électrique si une charge de 64 C lui transfère 3 200 J ?

29. Calculez la résistance équivalente dans chacun des circuits suivants : a) un circuit comprenant trois résisteurs, de 10 , 40  et 50 , montés en série ; b) un circuit comprenant trois résisteurs, de 2 , 5  et 34 , montés en parallèle.

23. Quelle est l’énergie consommée par un ventilateur traversé par un courant de 1,5 A qui fonctionne pendant 20 minutes sous une tension de 120 V?

La relation entre la puissance et l’énergie électrique ST STE ATS (pages 203 et 204)

21. Qu’est-ce que la tension électrique (différence de potentiel) ?

24. Expliquez dans vos mots le lien entre le courant, l’énergie et la tension électrique. 25. Qu’est-ce que la résistance électrique ? 26. Quelle est l’intensité du courant qui traverse la télécommande d’un téléviseur alimentée par une tension de 3,0 V, si sa résistance est 9,4  ?

30. Calculez la puissance dissipée par une cuisinière électrique alimentée par un courant de 12,5 A provenant d’une source de 240 V. 31. Calculez la puissance d’un amplificateur branché à une prise électrique de 120 V, alors que sa résistance est de 96 . Section 8 L’électricité

205

SECTION

La charge électrique

ST

STE

8

L’électricité

ATS

Propriété de la matière selon laquelle le proton a une charge positive et l’électron, une charge négative. • Les charges de signes opposés s’attirent tandis que les charges de même signe se repoussent. • La conductibilité électrique des substances dépend de la présence d’électrons libres et de la facilité avec laquelle ils peuvent se déplacer d’un atome à un autre. Certaines substances sont des isolants, d’autres des conducteurs, des semi-conducteurs ou des supraconducteurs. • Un objet peut acquérir une charge électrique par frottement, par contact ou par induction. • La charge électrique est symbolisée par la lettre q et se mesure en coulombs (C) : 1 C = 6,25  1018 électrons ou protons.

L’électricité statique

ST

STE

ATS

Forme d’électricité qui apparaît à la suite de frottements entre des substances ou des matériaux. • Lorsqu’il y a trop d’électricité statique accumulée, une décharge électrique peut se produire, ce qui peut provoquer des étincelles. • Dans certaines conditions atmosphériques, de très grandes charges s’accumulent dans les nuages et le sol. La décharge électrique qui se produit alors se nomme la foudre.

La loi de Coulomb

STE

Loi qui décrit la force électrique qui s’exerce entre deux corps (particules ou objets) chargés électriquement. • La force électrique est une force d’attraction ou de répulsion selon que les charges sont de signes opposés ou de même signe. • On exprime la loi de Coulomb à l’aide de l’équation suivante :

FE 

206

k q1q2 r2



FE  k q1 et q2  r

Chapitre 1 Univers matériel

Force électrique qui s’exerce entre les corps chargés, exprimée en newtons (N) Constante de Coulomb équivalant à 9  109 Nm2/C2 Valeurs respectives des charges, exprimées en coulombs (C) Distance séparant les charges, exprimée en mètres (m)

Le champ électrique

STE

Région de l’espace où une force électrique créée par un corps chargé peut s’exercer sur un autre corps chargé. • L’intensité du champ électrique s’exprime par l’équation suivante :

E

kq1 r2

E  Intensité du champ électrique, exprimée en newtons par coulomb (N/C) k  Constante de Coulomb équivalant à 9  109 Nm2/C2 q1  Valeur de la charge, exprimée en coulombs (C) r  Distance séparant la charge d’un point donné, exprimée en mètres (m)



• On représente le champ électrique par des lignes de champ.

Les circuits électriques

ST

STE

ATS

Ensemble de composantes électriques interreliées parcourues par un courant électrique. • On représente les circuits électriques à l’aide de schémas et de symboles normalisés qui indiquent l’agencement des différentes composantes. • Parmi les différents circuits électriques, on trouve : le circuit en série, qui comprend une seule boucle et n’offre qu’un seul chemin au passage du courant électrique ; le circuit en parallèle, qui comprend plusieurs branches et offre plusieurs chemins au passage du courant électrique.

La loi d’Ohm

ST

STE

ATS

Loi qui exprime la relation entre la tension électrique aux bornes d’un résisteur, l’intensité du courant qui le traverse et sa résistance. • La loi d’Ohm se traduit par l’équation suivante :

U I

R



R  Résistance, exprimée en ohms () U  Tension électrique, exprimée en volts (V) I  Intensité du courant, exprimée en ampères (A)

• L’intensité du courant (I ) est la quantité de charges électriques qui passent chaque seconde dans un conducteur. On traduit l’intensité du courant par l’équation suivante :

I

q t



I  Intensité du courant, exprimée en ampères (A) q  Charge, exprimée en coulombs (C) t  Intervalle de temps, exprimé en secondes (s)

• La tension électrique (U ) est une variation de l’énergie transférée par unité de charge. On traduit la tension électrique par l’équation suivante :

U

E q



U  Tension électrique, exprimée en volts (V) E  Variation d’énergie ou énergie transférée, exprimée en joules (J) q  Charge, exprimée en coulombs (C) Section 8 L’électricité

207

Les lois de Kirchhoff

STE

Lois qui permettent d’expliquer la répartition de l’intensité du courant (I) et de la tension électrique (U) dans les circuits en série et les circuits en parallèle. Elles traduisent le fait que, dans un circuit électrique, il n’y a ni perte ni gain net de charge électrique ou d’énergie. • La première loi de Kirchhoff, aussi appelée « loi des courants », stipule que la somme des intensités de courant qui entrent dans un nœud ou une composante est égale à la somme des intensités de courant qui en sortent. Elle se formule ainsi : en série : IT  I1  I2  I3 ... en parallèle : IT  I1  I2  I3 ... • La deuxième loi de Kirchhoff, aussi appelée « loi des tensions », stipule que la somme de toutes les augmentations de tension électrique fournies par la ou les sources d’alimentation est égale à la somme de toutes les diminutions de tension électrique subies lors des transferts d’énergie. Elle se formule ainsi : en série : UT  U1  U2  U3 ... en parallèle : UT  U1  U2  U3 ... • Les lois de Kirchhoff permettent de déterminer les résistances équivalentes d’un circuit : en série : RT  R1  R2  R3 ... en parallèle :

1 1 1 1    ... RT R1 R2 R3

• À l’aide des lois de Kirchhoff et de la loi d’Ohm, on peut analyser en détail un circuit et déterminer la valeur de l’intensité du courant (I ), de la tension électrique (U ) et de la résistance (R ) en tout point de ce circuit.

La relation entre la puissance et l’énergie électrique

ST

STE

ATS

La puissance électrique est la quantité d’énergie électrique consommée ou fournie par un appareil électrique, par unité de temps. L’unité de mesure de la puissance dans le SI est le watt (W). • On calcule la puissance électrique à l’aide de l’équation suivante :

P  UI

208



Chapitre 1 Univers matériel

P  Puissance, exprimée en watts (W) U  Tension électrique, exprimée en volts (V) I  Intensité du courant, exprimée en ampères (A)

SECTION

D

ans la vie de tous les jours, des objets aimantés sont souvent utilisés, par exemple pour fixer des notes sur les réfrigérateurs. Lorsqu’on pose ces aimants sur certaines surfaces, on ressent qu’une force invisible les attire. On appelle ce phénomène le « magnétisme ».

Au cours de l’Antiquité, les Grecs observent déjà les propriétés magnétiques d’un minerai noir, la magnétite (Fe3O4). C’est au Moyen Âge que des savants poursuivent leurs observations et décrivent en détail ce phénomène. Au 11e siècle, les premières boussoles apparaissent en Chine. Elles deviennent de précieux instruments de navigation. Au début du 19e siècle, des scientifiques démontrent que le phénomène du magnétisme a un rapport étroit avec l’électricité. Ils en concluent que l’électricité et le magnétisme sont deux aspects de la même force : l’électromagnétisme.

9 L’électromagnétisme

9.1

Les forces d’attraction et de répulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 ST

9.2

STE

ATS

Le champ magnétique d’un solénoïde . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 STE

9.4

ATS

Le champ magnétique d’un fil parcouru par un courant . . . . . 215 ST

9.3

STE

ATS

L’induction électromagnétique . . 219 ATS

Dans cette section, vous découvrirez les propriétés de l’électromagnétisme, ainsi que ses nombreuses manifestations et applications.

209

CONCEPT

9.1 Les forces d’attraction et de répulsion ST STE ATS

Les forces d’attraction et les forces de répulsion sont des forces magnétiques qui attirent ou qui repoussent certains matériaux à distance. Les forces magnétiques agissent sur certaines substances alors qu’elles n’ont aucun effet sur d’autres. Il est donc possible de classer les substances en deux catégories selon les propriétés qu’elles possèdent au regard du magnétisme. Une substance peut être magnétique ou non magnétique.

Figure 217 Un aimant est une substance possédant un ferromagnétisme permanent. Un aimant repousse ou attire les autres aimants.

Toutes les substances magnétiques sont constituées d’éléments ferromagnétiques tels que le fer (Fe), le cobalt (Co), le nickel (Ni), le gadolinium (Gd), ou des alliages de ceux-ci. Parmi les substances magnétiques, certaines possèdent un ferromagnétisme permanent et sont appelées des aimants. La principale propriété des aimants est qu’ils peuvent attirer ou repousser d’autres aimants (voir la figure 217). Les autres substances magnétiques possèdent un ferromagnétisme non permanent et sont simplement attirées par les aimants. Ainsi, lorsqu’elles se trouvent à proximité d’un aimant, elles deviennent temporairement des aimants et peuvent attirer à leur tour d’autres substances magnétiques (voir la figure 218). Les substances non magnétiques, comme les matières plastiques et la céramique, ne contiennent pas d’éléments ferromagnétiques tels que le fer ou le nickel. Elles ne subissent aucun effet lorsqu’elles sont placées à proximité d’un aimant (voir la figure 219). Substances

Figure 218 Les substances possédant un ferromagnétisme non permanent sont attirées par les aimants. Ces substances agissent à leur tour comme des aimants et attirent d’autres substances magnétiques.

Magnétiques

Non magnétiques

Contiennent un élément ferromagnétique comme le fer (Fe), le cobalt (Co), le nickel (Ni) ou le gadolinium (Gd).

Ne contiennent pas d’éléments ferromagnétiques. (Exemples : le bois, la céramique, les matières plastiques, l’aluminium, le cuivre, etc.)

Ferromagnétisme permanent

Ferromagnétisme non permanent

Aimants (attirent ou repoussent d’autres aimants).

Substances attirées par les aimants.

Figure 219 Les substances magnétiques et les substances non magnétiques.

Le magnétisme dans la nature La magnétite (Fe3O4) est un minéral qui possède les caractéristiques magnétiques à l’état naturel. Le corps de certains organismes renferme des cristaux ferromagnétiques constitués de magnétite. Certaines bactéries vivant dans les sédiments des fonds marins utilisent ces cristaux de magnétite pour orienter leurs déplacements le long des lignes de champ magnétique terrestre (voir la figure 220 ). Le cerveau de certaines baleines et des pigeons renferme aussi des cristaux de ce genre qui les aideraient à s’orienter lors de leurs déplacements.

210

Chapitre 1 Univers matériel

Chaîne de cristaux de magnétite

Figure 220 La chaîne de cristaux de magnétite de cette bactérie lui permet de conserver une orientation spécifique dans le champ magnétique de la Terre.

9.1.1

Les pôles magnétiques

ST

STE

ATS

Les aimants, qu’ils soient en forme de « U », de forme droite ou courbée, sont capables d’attirer à distance d’autres aimants ou des matériaux ferromagnétiques comme de la limaille de fer. Lorsqu’un aimant est plongé dans de la limaille de fer, les fragments de limaille tendent à s’agglutiner autour des deux extrémités : les pôles (voir la figure 221). Un aimant possède toujours deux pôles appelés « nord » et « sud ». Lorsque deux pôles de même type sont placés l’un face à l’autre, ils se repoussent. Le phénomène contraire se produit s’il s’agit de deux pôles différents. C’est ce qu’on appelle la « loi des pôles magnétiques » (voir la figure 222). Figure 221 De la limaille de fer agglutinée autour du pôle d’un aimant.

Attraction

Répulsion

Attraction

Répulsion

Figure 222 La loi des pôles magnétiques : les pôles magnétiques contraires s’attirent en raison des forces d’attraction et les pôles magnétiques identiques se repoussent en raison des forces de répulsion.

Une boussole est un instrument de navigation qui permet de s’orienter grâce au champ magnétique terrestre et qui permet également de connaître la nature des pôles d’un aimant. La boussole est constituée d’une aiguille magnétisée dotée d’un pôle nord et d’un pôle sud et tournant librement sur un pivot. Par convention, on identifie toujours le pôle nord de l’aiguille par la couleur rouge (voir la figure 223 a). Ainsi, pour connaître la nature des pôles d’un aimant, il suffit d’approcher une boussole d’un de ses pôles. L’extrémité rouge de l’aiguille de la boussole pointe toujours le pôle sud d’un aimant, et inversement (voir la figure 223 b).

9.1.2

La théorie des domaines magnétiques

ST

STE

a) L’extrémité rouge de l’aiguille est un pôle nord.

ATS

Afin d’expliquer pourquoi certaines substances sont magnétiques alors que d’autres ne le sont pas, les scientifiques ont élaboré la théorie des domaines magnétiques. Cette théorie soutient que les atomes des substances possédant un ferromagnétisme permanent se comportent comme des aimants infiniment petits ayant chacun leurs pôles nord et sud. Ainsi, lorsqu’on coupe un aimant en deux, on obtient deux aimants ayant chacun un pôle nord et un pôle sud (voir la figure 224).

b) Le pôle nord de l’aiguille d’une boussole est toujours attiré par le pôle sud d’un aimant.

Figure 223 L’utilisation d’une boussole pour connaître la nature des pôles d’un aimant.

Figure 224 Dans un aimant, les pôles magnétiques des atomes sont tous alignés. Lorsqu’on coupe l’aimant, on forme deux nouveaux aimants ayant chacun un pôle nord et un pôle sud. Section 9 L’électromagnétisme

211

Figure 225 a Les pôles des atomes sont orientés au hasard.

Quand une substance possédant un ferromagnétisme non permanent, par exemple une pièce de 5 ¢ faite de nickel (Ni), n’est pas en présence d’un aimant, les pôles des atomes sont orientés au hasard et leurs forces d’attraction et de répulsion s’annulent (voir la figure 225 a). En revanche, lorsque la même pièce de 5 ¢ est en présence d’un aimant, les petits aimants des atomes s’orientent dans le même sens que ceux de l’aimant, et la pièce de 5 ¢ agit alors comme l’aimant (voir la figure 225 b). Dès qu’on retire l’aimant, les atomes de la pièce de 5 ¢ s’orientent de nouveau au hasard. La théorie des domaines magnétiques permet également d’expliquer pourquoi il est possible de magnétiser de façon plus ou moins prolongée certaines substances ferromagnétiques. En effet, en frottant un aimant toujours dans le même sens sur un objet ferromagnétique, on peut orienter de façon prolongée les pôles des atomes qui constituent l’objet, par exemple une aiguille ou la pointe d’un tournevis. Même lorsqu’on retire l’aimant, l’objet continue de se comporter comme un aimant. On dit alors qu’il s’agit d’un aimant induit.

Figure 225 b Une fois magnétisés, les pôles des atomes s’orientent dans le même sens que ceux de l’aimant.

9.1.3

Les champs magnétiques

ST

STE

ATS

Le champ magnétique est un espace invisible qui entoure un aimant et à l’intérieur duquel les forces magnétiques peuvent s’exercer sur d’autres aimants ou sur des substances ferromagnétiques. Le champ magnétique est représenté par des lignes de champ (ou lignes de force) orientées dans l’espace et dont l’espacement révèle l’intensité relative du champ magnétique. La limaille de fer permet de visualiser les lignes de champ : plus les lignes sont rapprochées les unes des autres, plus le champ magnétique est fort (voir la figure 226). C’est ce qui se produit aux pôles d’un aimant, où la densité des lignes de champ est très élevée. Le champ magnétique s’affaiblit à mesure qu’on s’éloigne du pôle de l’aimant. La limaille de fer ne permet toutefois pas de connaître l’orientation (le sens et la direction) des lignes de champ magnétique. Pour ce faire, il faut disposer une boussole à différents endroits autour de l’aimant. Son aiguille s’oriente toujours selon le sens et la direction des lignes de champ. Ainsi, l’extrémité nord de l’aiguille de la boussole révèle le sens des lignes de champ (du nord vers le sud) et leur direction (voir la figure 227).

Figure 226 La limaille de fer permet de visualiser les lignes de champ d’un aimant.

212

Chapitre 1 Univers matériel

Figure 227 Un montage de plusieurs boussoles permet de révéler l’orientation des lignes de champ magnétique engendré par un aimant droit. Une même boussole déplacée en divers points du champ permet également de visualiser l’orientation des lignes de champ.

Pour illustrer de façon simple l’apparence d’un champ magnétique, il suffit de tracer quelques lignes de champ magnétique. La représentation du champ magnétique obtenue comprend les caractéristiques suivantes : • des pointes de flèche placées sur les lignes de champ indiquent que celles-ci vont du pôle nord vers le pôle sud ; • aux pôles, la densité des lignes indique l’intensité du champ magnétique (voir la figure 228). Des flèches indiquent la direction nord-sud du champ.

Aux pôles, la densité élevée des lignes indique que l’intensité du champ est forte. Le nombre de lignes de champ qui sortent d’un pôle est égal au nombre de lignes qui entrent dans l’autre pôle.

Figure 228 Le champ magnétique d’un aimant droit.

Le champ magnétique terrestre Bien que l’existence du champ magnétique terrestre soit connue depuis plusieurs siècles, les causes de ce phénomène physique sont encore aujourd’hui matière à discussion. Ce champ est généralement modélisé par un gigantesque aimant droit légèrement incliné par rapport à l’axe de rotation de la Terre, ce qui explique qu’il ne correspond pas exactement aux pôles géographiques (voir la figure 229 ). Lorsqu’un aimant est attaché à une ficelle et qu’il est libre de pivoter dans le champ magnétique de la Terre, le pôle nord de l’aimant tend à pointer en direction de ce qu’on nomme traditionnellement le « pôle Nord géomagnétique ». Toutefois, le pôle Nord géomagnétique est un pôle sud au sens physique du terme. Il est situé dans l’Arctique canadien. Figure 229 Le champ magnétique de la Terre est souvent représenté par un gigantesque aimant droit dont le pôle sud est en réalité situé au pôle Nord géomagnétique.

Pôle Nord géomagnétique

Pôle Nord géographique

Pôle Sud géomagnétique Pôle Sud géographique

Section 9 L’électromagnétisme

213

Les tempêtes solaires Le Soleil projette en permanence dans l’espace des particules de haute énergie sous forme de « vent solaire ». Au cours d’une éruption solaire, aussi appelée « tempête solaire », l’intensité de ce vent augmente. Le champ magnétique terrestre dévie la plupart des particules qui composent ce vent. Toutefois, certaines d’entre elles pénètrent dans l’atmosphère près des pôles magnétiques, guidées par les lignes du champ magnétique terrestre. Plus le vent solaire est intense, plus ses effets sont perceptibles loin des pôles. Les charges électriques des particules interagissent alors avec le gaz de la thermosphère et peuvent provoquer des aurores boréales dans l’hémisphère Nord et des aurores australes dans l’hémisphère Sud (voir les figures 230 a et b). Les charges électriques perturbent également le champ magnétique terrestre et provoquent des orages magnétiques qui génèrent des courants pouvant nuire aux lignes de transport et de distribution d’électricité. Des systèmes de protection commandent alors la désactivation de certaines sections du réseau de distribution. La conséquence ultime d’une tempête solaire est une panne générale du réseau.

Figure 230 a Une aurore boréale vue de la Terre.

Figure 230 b Une aurore australe vue de l’espace.

Les cartes de paiement La bande au dos des cartes de paiement (voir la figure 231 ) est constituée d’un matériau magnétique qui peut être encodé pour conserver de l’information. Cet encodage magnétique est rendu possible par la présence de particules de magnétite (Fe3O4) qui ressemblent à de minuscules aiguilles dont le diamètre est 500 fois plus petit que celui d’un cheveu humain. Ces particules agissent comme des aimants miniatures. Il est possible d’orienter leur aimantation dans une position permanente, ce qui permet d’encoder des pistes d’information sur la bande. Un simple aimant suffit toutefois à démagnétiser ces pistes en désorientant l’aimantation des particules. C’est pourquoi on a graduellement remplacé la magnétite par des particules d’un composé de fer contenant du baryum (BaFe12O19). Les cartes dotées de cette bande à « haute énergie » sont beaucoup plus difficiles à démagnétiser de sorte que l’information qu’elles contiennent est mieux protégée.

214

Chapitre 1 Univers matériel

Figure 231 La bande magnétique au dos des cartes de paiement.

CONCEPT

9.2 Le champ magnétique d’un fil parcouru par un courant ST STE

ATS

Des expériences menées au début du 19 e siècle ont montré que lorsqu’un fil conducteur est parcouru par un courant, un champ magnétique est créé. Les lignes de champ ainsi formées sont des lignes concentriques dont le plan est perpendiculaire au fil. La limaille de fer permet de visualiser les lignes de champ magnétique (voir les figures 232 a et 232 b).

Voir Les fonctions de conduction, d’isolation et de protection, p. 455.

I (sens du courant conventionnel)

Figure 232 a Les lignes de champ magnétique d’un fil conducteur visualisées grâce à la limaille de fer.

Figure 232 b Le plan des lignes de champ est perpendiculaire au fil.

On peut connaître la forme et la direction des lignes du champ magnétique engendrées par le courant à l’aide de la première règle de la main droite ou de la main gauche. La première règle de la main droite permet de trouver l’orientation des lignes de champ : le pouce de la main droite représente le fil et est pointé dans le sens du courant conventionnel (I). Les autres doigts s’enroulent dans le sens des lignes de champ magnétique (voir la figure 233). La première règle de la main gauche donne le même résultat quand le pouce gauche pointe dans le sens de déplacement des électrons (e–) (voir la figure 234).

I

Figure 233 La première règle de la main droite.

e–

Figure 234 La première règle de la main gauche.

REPÈRE

HANS CHRISTIAN OERSTED Physicien et chimiste danois (1777-1851) Hans Christian Oersted est connu pour avoir mis en évidence le fait que le passage du courant électrique dans un conducteur engendre un champ magnétique qui modifie l’orientation de l’aiguille d’une boussole. Cette découverte, qui remonte à 1820, établit le lien entre l’électricité et le magnétisme et donne naissance à une nouvelle branche de la physique : l’électromagnétisme. Oersted a étudié en pharmacie, puis en médecine, suivant la tradition familiale. Mais il s’intéressait particulièrement à la chimie et à la physique. Il a été le premier à produire de l’aluminium en 1825 et a fondé l’Université technique du Danemark.

Section 9 L’électromagnétisme

215

CONCEPT

9.3 Le champ magnétique d’un solénoïde STE ATS

Un solénoïde est un bobinage de fil conducteur formé par une succession de boucles, appelées « spires », enroulées à la manière d’un ressort. Dans un solénoïde, les spires sont séparées par un isolant. Lorsque les spires sont assez distantes les unes des autres, l’air peut remplir la fonction d’isolant (voir la figure 235). Cependant, si les spires sont très compactées, le fil conducteur doit être recouvert d’un vernis isolant ou d’une gaine de plastique. Lorsque le solénoïde est parcouru par un courant électrique, il se comporte comme un aimant et génère un champ magnétique de faible intensité. À l’intérieur du solénoïde, les lignes de champ sont parallèles, tandis qu’à l’extérieur elles ressemblent à celles du champ magnétique d’un aimant droit (voir la figure 236). Figure 235 Un solénoïde. N

S

I

Figure 236 Lorsque le courant circule dans un solénoïde, le champ magnétique créé ressemble à celui d’un aimant droit.

La deuxième règle de la main droite permet de déterminer l’orientation du champ magnétique d’un solénoïde. Lorsqu’on prend un solénoïde avec la main droite en pointant les doigts dans le sens du courant conventionnel (I), le pouce pointe alors dans le même sens que les lignes du champ magnétique (voir la figure 237). La deuxième règle de la main gauche permet de trouver les mêmes données. Lorsqu’on prend un solénoïde avec la main gauche en pointant les doigts dans le sens du déplacement des électrons (e-), le pouce pointe dans le même sens que les lignes du champ magnétique (voir la figure 238). N

S

I

Figure 237 La deuxième règle de la main droite.

216

Chapitre 1 Univers matériel

S

N

e-

Figure 238 La deuxième règle de la main gauche.

On peut augmenter la force du champ magnétique d’un solénoïde en ajoutant en son centre une tige d’une substance possédant un ferromagnétisme non permanent, comme du fer doux . Le solénoïde devient alors un électroaimant.

*

L’électroaimant possède des avantages par rapport à l’aimant droit. D’une part, il est possible de l’activer ou de le désactiver en faisant passer ou non un courant dans le solénoïde. D’autre part, on peut modifier la force du champ magnétique qu’il produit en changeant certains facteurs : l’intensité du courant qui le traverse, la densité des spires (leur nombre et leur espacement) qui le composent, le type de substance ferromagnétique utilisé et la taille de l’électroaimant (voir le tableau 20).

Voir Les forces d’attraction et de répulsion, p. 210. doux Fer qui perd sa magnétisa* Fer tion lorsqu’il ne se trouve plus en présence d’un champ magnétique.

Tableau 20 Les facteurs qui influent sur le champ magnétique créé par un électroaimant Facteur

Description

Courant circulant dans l’électroaimant

Plus le courant est élevé, plus le champ est fort.

Densité des spires dans l’électroaimant

Plus la densité de spires est élevée, plus le champ est fort.

Type de matériau formant le centre de l’électroaimant

Plus le matériau présent à l’intérieur du solénoïde est ferromagnétique, plus l’électroaimant est fort. Le fer doux est l’un des meilleurs matériaux à utiliser. Il est déconseillé d’utiliser l’acier, car il demeure magnétisé une fois le courant coupé.

Taille de l’électroaimant

REPÈRE

JOSEPH HENRY Physicien américain (1797-1878)

Plus le diamètre du solénoïde est petit, plus le champ magnétique est fort.

Cela permet de réaliser des électroaimants capables de soulever de lourdes charges, mais également des objets de la vie quotidienne comme des moteurs ou des cloches électriques (voir le tableau 21).

Joseph Henry, apprenti horloger qui s’intéresse aux sciences, voit ses capacités reconnues par l’académie d’Albany (É.-U.), qui l’accueille gratuitement comme étudiant puis l’engage comme professeur. Il travaille sur le magnétisme et réussit à perfectionner l’électroaimant.

Tableau 21 Des exemples d’application des électroaimants Description

Électroaimant de levage Lorsque le courant passe dans le solénoïde, celui-ci devient un aimant qui peut soulever une grande quantité de matières ferromagnétiques. Il les laisse tomber quand le courant est coupé.

Schéma Interrupteur Flux d’électrons

Noyau de fer doux

Cloche électrique Cet appareil est un électroaimant à auto-interruption. En position de repos, le circuit est fermé et le courant attire l’armature de fer mou, qui fait sonner la cloche et coupe le contact en ouvrant l’interrupteur. Le contact étant coupé, l’aimant désactivé libère l’armature, qui revient à sa position de repos. À la position de repos, l’aimant s’active et le procédé recommence.

Armature

Illustration

 Batterie

 S

N

N

S Vis de réglage du contact

Ressort

Contact N

S Noyau de fer doux





Batterie

Section 9 L’électromagnétisme

217

Les véhicules à moteur électrique

Les champs magnétiques dans l’environnement L’environnement est rempli de champs magnétiques, en particulier en raison des réseaux de distribution d’électricité et de l’emploi de nombreux appareils et dispositifs fonctionnant à l’électricité. En effet, tous les objets techniques fonctionnant à l’électricité émettent des champs magnétiques.

Les premiers moteurs électriques ont été conçus au 19 e siècle. Au début du 20e siècle, deux grands types de moteurs se concurrençaient pour répondre à la demande visant à remplacer les bœufs et les chevaux pour le transport : le moteur électrique et le moteur thermique (moteur diesel et moteur à essence). C’est le moteur thermique qui l’a emporté, de sorte que le moteur électrique a été laissé de côté. Curieusement, c’est un peu grâce au moteur électrique que le moteur thermique a connu son essor. En effet, le remplacement de la manivelle par un petit moteur électrique pour aider au démarrage du moteur thermique a contribué à lui permettre de dominer le marché des véhicules de transport. Les moteurs électriques présentent de nets avantages sur les moteurs thermiques. Ils n’émettent aucune pollution directe lors de leur utilisation, leur taux de rendement est de 95 % comparativement à 30 % pour les moteurs thermiques, et leur fonctionnement est plus silencieux. En contrepartie, l’inconvénient majeur des moteurs électriques est leur faible autonomie, qui est limitée par la capacité de stockage des batteries de même que par le temps de recharge relativement long. De plus, la production de l’électricité nécessaire à leur recharge a des impacts environnementaux importants, surtout si l’électricité est produite dans des centrales thermiques (pétrole, gaz ou charbon) qui génèrent des gaz à effet de serre (GES).

Le fonctionnement du moteur électrique Un moteur électrique permet de transformer l’énergie électrique en énergie mécanique. Il existe de nombreux modèles de moteurs électriques de tailles variables. Les petits moteurs électriques des jouets fonctionnent avec des piles et un courant continu. Le moteur électrique à courant continu se compose de trois parties principales (voir la figure 239 ). Un aimant permanent fixe constitue le stator. Un solénoïde monté sur un axe de rotation est placé entre les mâchoires de cet aimant : il forme le rotor. Enfin, un commutateur amène le courant au solénoïde grâce à deux balais qui frottent contre une bague cylindrique. Cette bague est recouverte de deux bandes conductrices, chacune étant reliée à l’une des bornes du solénoïde. Un balai est en contact avec l’une des bandes pendant une demi-rotation, puis avec l’autre pendant la demi-rotation suivante. Ainsi, le courant dans le solénoïde est inversé à chaque demi-rotation. 1 Le courant qui circule dans les spires du solénoïde (le rotor) transforme ce dernier en électroaimant. Ses pôles sont attirés par les pôles opposés du stator et le rotor commence à tourner sur lui-même dans le sens des aiguilles d’une montre. 2 Quand les pôles contraires sont alignés, le commutateur inverse la direction du courant dans le rotor. 3 Les polarités magnétiques s’inversent alors aux pôles du rotor et les pôles maintenant identiques se repoussent. Le rotor parcourt un demi-tour de plus et le cycle recommence.

218

Chapitre 1 Univers matériel

Stator 1

Arbre de rotation Rotor

I

Commutateur

2

I

3

I

Figure 239 Les forces magnétiques entre le stator et le rotor (qui se comporte en électroaimant) entraînent la rotation de l’arbre des moteurs électriques à courant continu.

CONCEPT

9.4 L’induction électromagnétique

ATS

L’induction électromagnétique est la production d’un courant électrique par magnétisme. La découverte au début du 19e siècle du fait que l’électricité peut produire des champs magnétiques a amené des scientifiques à prédire qu’à l’inverse le magnétisme pourrait produire de l’électricité. Ce sont les expériences de deux scientifiques, Michael Faraday (1791-1867) et Joseph Henry (1797-1878), respectivement en Angleterre et aux États-Unis, qui ont montré cet effet aujourd’hui appelé « loi de Faraday ». Cette loi décrit le phénomène de l’induction électromagnétique. Une version simplifiée de l’expérimentation effectuée par Faraday consiste à déplacer un aimant près d’un solénoïde relié à une petite ampoule (voir la figure 240). Quand l’aimant est en mouvement dans un sens, l’ampoule s’allume, ce qui indique qu’il y a un courant électrique « induit » dans le fil du solénoïde. Le même phénomène se produit quand l’aimant est en mouvement dans l’autre sens, à la différence que le courant circule en sens opposé. Si l’on répète constamment ces mouvements de va-et-vient, il y a production de courant alternatif, car le sens du courant alterne à chaque mouvement. Le même résultat est obtenu si l’aimant est maintenu immobile alors que le solénoïde est mis en mouvement. Quand l’aimant et le solénoïde sont immobiles, l’ampoule s’éteint.

Voir La fonction d’alimentation, p. 453.

REPÈRE

MICHAEL FARADAY Physicien et chimiste britannique (1791-1867) a) L’aimant est en mouvement.

b) L’aimant ou le solénoïde sont immobiles.

Figure 240 Le mouvement d’un solénoïde ou d’un aimant l’un par rapport à l’autre fait circuler un courant « induit » dans le circuit qui fait briller l’ampoule. L’aller-retour répété de l’aimant induit un courant alternatif.

Autodidacte, sans culture mathématique, Michael Faraday voit ses talents de physicien reconnus par le chimiste Humphry Davy qui l’engage pour mener des recherches. Faraday réalise alors ses premières découvertes en chimie : benzène, chlorures de carbone, verres optiques, électrolyse, etc. Puis, à la suite des découvertes d’Oersted, vers 1820, il découvre l’induction électromagnétique. Sachant qu’un fil parcouru par un courant produit un champ magnétique, il prouve que l’inverse peut être possible.

Section 9 L’électromagnétisme

219

La production d’électricité par induction électromagnétique est la réciproque du principe de l’électromagnétisme (voir la figure 241). Le principe de l’électromagnétisme a mené à l’élaboration du moteur électrique alors que l’induction électromagnétique a mené à l’élaboration d’un appareil ayant la fonction contraire à celle du moteur électrique, soit la génératrice. Principe de l’électromagnétisme Le courant traverse un conducteur. Courant (charge en mouvement)

Champ magnétique Champ magnétique en mouvement autour d’un conducteur Principe de l’induction électromagnétique (Loi de Faraday)

Figure 241 Le principe de l’électromagnétisme et la loi de Faraday sont deux relations réciproques.

La génératrice électrique Une génératrice électrique est un dispositif simple basé sur le principe de l’induction magnétique et utilisé pour convertir de l’énergie mécanique (mouvement de rotation) en énergie électrique (voir la figure 242 ). La génératrice simplifiée, également appelée « alternateur », produit du courant alternatif à partir de la force générée par un être humain qui tourne la manivelle. La génératrice fonctionne à l’inverse du moteur électrique. Les électrons dans le fil commencent à se déplacer vers une des extrémités dès qu’une force extérieure fait tourner le solénoïde. Après un demi-tour, chacune des extrémités du solénoïde passe à proximité du pôle de l’aimant magnétiquement opposé. La différence de potentiel induite dans le fil entraîne les électrons, qui sont alors repoussés dans l’autre direction. Le courant change ainsi de direction deux fois à chaque tour complet du solénoïde. Ce type d’électricité est appelé « courant alternatif ». En Amérique du Nord, la vitesse à laquelle les génératrices tournent induit un courant de 60 cycles/s (qui change donc de sens 120 fois par seconde). Dans une centrale hydroélectrique, la rotation est créée par la force que la pression de l’eau exerce sur les pales d’une turbine (voir la figure 243 ). Pour sa part, une centrale thermique utilise la pression de la vapeur produite par la combustion de carburants fossiles ou la fission nucléaire. Pour les éoliennes, c’est la force du vent qui est mise à profit.

220

Chapitre 1 Univers matériel

Figure 242 La génératrice à courant alternatif à manivelle.

Figure 243 La production d’électricité fait appel à différentes forces extérieures et à une génératrice, aussi appelée « alternateur ».

Pour faire le point Les forces d’attraction et de répulsion ST

STE

ATS

(pages 210 à 214)

1. a) Qu’est-ce qui distingue les substances magnétiques des substances non magnétiques ? b) Donnez des exemples d’éléments ferromagnétiques. c) Comment nomme-t-on les substances qui possèdent un ferromagnétisme permanent ? 2. a) Résumez la loi des pôles magnétiques. b) Quelle couleur utilise-t-on par convention pour indiquer le pôle nord d’un aimant ? 3. Indiquez le ou les comportements possibles (attraction, répulsion ou aucun effet) lorsqu’on approche : a) un aimant d’un autre aimant ; b) un aimant d’un métal ferromagnétique ; c) un aimant d’un morceau d’aluminium ; d) deux morceaux de fer l’un de l’autre ; e) un morceau de fer en contact avec un aimant d’un autre morceau de fer. 4. a) À l’aide de quel instrument de navigation peut-on connaître la nature des pôles d’un aimant ? b) Comment utilise-t-on cet instrument pour déterminer le pôle sud d’un aimant ? 5. a) Expliquez, à l’aide de la théorie des domaines magnétiques, l’origine de la magnétisation de métaux comme le fer. b) Comment un aimant cassé en deux forme-t-il deux aimants ayant chacun un pôle nord et un pôle sud ? 6. a) Comment peut-on magnétiser de façon plus ou moins prolongée certaines substances ferromagnétiques ? b) Une fois magnétisées, comment ces substances se comportent-elles ? 7. a) Qu’est-ce qu’un champ magnétique ? b) Quelle substance peut-on utiliser pour visualiser les lignes de champ ?

9

SECTION

L’électromagnétisme

c) Quel instrument peut-on utiliser pour connaître le sens et l’orientation d’un champ magnétique ? 8. a) Dans quel sens les lignes de champ passent-elles entre les deux pôles d’un aimant droit ? b) Qu’indique la densité des lignes de champ autour d’un aimant ?

Le champ magnétique d’un fil parcouru par un courant ST STE ATS (page 215) 9. a) Exprimez dans vos mots ce qu’est la première règle de la main droite. b) Que permet-elle de connaître ? 10. Laquelle des trois figures suivantes comporte une erreur ? Expliquez votre réponse. a)

I

b)

I c)

Légende I Courant conventionnel e Sens du déplacement des électrons

e

Section 9 L’électromagnétisme

221

Le champ magnétique d’un solénoïde STE

ATS

(pages 216 à 218)

11. a) Qu’est-ce qu’un solénoïde ? b) Quel phénomène observe-t-on lorsqu’un courant passe dans un solénoïde ? 12. a) Laquelle des trois figures suivantes comporte une erreur ? Expliquez votre réponse. b) Pour chacune des deux figures ne comportant pas d’erreur, indiquez si le pôle nord se trouve à gauche ou à droite du solénoïde.

13. a) Comment nomme-t-on un solénoïde dans lequel on a introduit une tige faite d’une substance ferromagnétique ? b) Quel avantage présente ce type de solénoïde par rapport à un aimant droit ? 14. Dans chacune des quatre paires de figures suivantes, laquelle des figures produit le plus fort champ magnétique ? Justifiez chacune de vos réponses. a)

Tige de fer doux a)

b)

c)

I b) d)

e c)

Légende I Courant conventionnel

L’induction électromagnétique

ATS

(pages 219 et 220)

I Légende I Courant conventionnel e Sens du déplacement des électrons

222

Chapitre 1 Univers matériel

15. a) Expliquez en quoi consiste la version simplifiée de l’expérience de Michael Faraday et de Joseph Henry. b) Qu’ont-ils démontré par cette expérience ? c) En quoi cette découverte est-elle utile de nos jours ? 16. Expliquez en quoi l’électromagnétisme et l’induction électromagnétique sont deux principes réciproques.

SECTION

9

L’électromagnétisme

Les forces d’attraction et de répulsion

ST

STE

ATS

Forces magnétiques qui attirent ou repoussent certains matériaux à distance. • Les forces magnétiques agissent sur les substances magnétiques. Une substance qui possède un ferromagnétisme permanent est appelée un « aimant ». • Les aimants comportent deux pôles, le nord (toujours identifié en rouge) et le sud : – deux pôles identiques se repoussent, alors que deux pôles différents s’attirent ; – on peut connaître la nature d’un pôle (nord ou sud) à l’aide d’une boussole. • Le champ magnétique est l’espace invisible dans lequel s’exercent les forces magnétiques. Il est plus dense près des pôles. On le représente à l’aide des lignes de champ magnétique qui vont du pôle nord au pôle sud.

Le champ magnétique d’un fil parcouru par un courant

ST

STE

ATS

• Le passage du courant électrique dans un fil crée un champ magnétique. Cet effet porte le nom de « principe de l’électromagnétisme ». On peut déterminer l’orientation des lignes de champ magnétique créé à l’aide de la première règle de la main droite (ou de la main gauche).

Le champ magnétique d’un solénoïde

STE

ATS

Solénoïde : bobinage de fil conducteur formé par des spires enroulées à la manière d’un ressort. • Lorsqu’un solénoïde est parcouru par un courant électrique, il devient faiblement magnétisé. On peut déterminer l’orientation du champ magnétique créé à l’aide de la deuxième règle de la main droite (ou de la main gauche). • Un électroaimant est un solénoïde dans lequel on a introduit une tige formée d’une substance ferromagnétique. On peut modifier la force du champ magnétique d’un électroaimant en variant différents paramètres, dont : – l’intensité du courant ; – le type de matériau au centre de l’électroaimant ; – la densité des spires ; – la taille de l’électroaimant.

L’induction électromagnétique

ATS

Production d’un courant électrique par magnétisme. • Selon le principe de l’induction électromagnétique (loi de Faraday), le déplacement d’un aimant près d’un solénoïde induit un courant dans le fil du solénoïde. Les génératrices électriques fonctionnent selon ce principe.

Section 9 L’électromagnétisme

223

224

SOMMAIRE

CHAPITRE

2

SECTION 1

L’espace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 SECTION 2

L’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 SECTION 3

L’hydrosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 SECTION 4

TERRE ET ESPACE

La lithosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 SECTION 5

Les régions climatiques . . . . . . . 329

Les sciences de la Terre et de l’espace permettent

SECTION 6

de comprendre l’ensemble des interactions qui

Les cycles biogéochimiques . . . 347

influe sur la biosphère et de mieux saisir les impacts qui résultent de l’activité humaine. L’équilibre de la biosphère dépend presque entièrement du processus d’échange thermique issu de l’énergie rayonnante du Soleil. Ces échanges thermiques entre le Soleil et la biosphère sont déterminants pour les trois grands systèmes de la biosphère : l’atmosphère, l’hydrosphère et la lithosphère. Ces systèmes sont, quant à eux, à l’origine des climats et des phénomènes météorologiques comme les vents et les précipitations. Ils sont aussi à l’origine des courants marins et des grands cycles biogéochimiques comme le cycle de l’eau et le cycle du carbone. Dans ce chapitre, vous aurez l’occasion de découvrir et d’approfondir les concepts en lien avec l’espace et le système Terre-Lune, les trois grands systèmes de la biosphère, les régions climatiques et les cycles biogéochimiques.

225

Les phénomènes astronomiques La gravitation universelle Selon la loi de la gravitation universelle, tous les corps dotés d’une masse s’attirent mutuellement et possèdent une force gravitationnelle. Le Soleil a une masse qui équivaut à 98 % environ de toute la masse du système solaire. Cette très grande masse lui permet d’exercer une force gravitationnelle qui maintient les planètes, les astéroïdes, les comètes, les poussières et les autres corps célestes en orbite autour de lui. De la même façon, les satellites naturels, comme la Lune, sont en orbite autour d’une planète.

Le système solaire.

Le Soleil et la lumière Le Soleil est un corps céleste gazeux qui produit de l’énergie par des réactions de fusion nucléaire. Sans l’énergie rayonnante fournie par le Soleil, la vie, telle que nous la connaissons, n’existerait pas sur la Terre. Cette énergie est en partie réfléchie et en partie absorbée par les objets. Elle est alors transformée en énergie thermique. L’énergie rayonnante du Soleil se propage dans le vide à une vitesse de 300 000 km/s. Cette énergie prend la forme d’ondes électromagnétiques qui sont classées en différentes catégories, des ondes radio aux rayons gamma, en passant par la lumière visible.

226

Chapitre 2 Terre et espace

Le Soleil.

Les phases de la Lune

Dernier quartier Dernier croissant

Dans l’espace, l’objet céleste le plus près de la Terre est la Lune, le satellite naturel de la Terre. La durée de la rotation de Nouvelle Lune la Lune sur elle-même est identique à la durée de sa révolution autour de la Terre. C’est la raison pour laquelle elle montre toujours la même face à la Terre. Selon la posiRayonnement solaire tion de la Lune autour de la Terre et sa position par rapport au Soleil, la Premier croissant face éclairée de la Lune change d’aspect. Premier quartier Ces différents aspects de la Lune portent le nom de « phases ». Les phases de la Lune.

Le cycle du jour et de la nuit

Jour

La rotation de la Terre sur son axe est de 23 h 56 min 4 s. Cette rotation explique le cycle du jour et de la nuit. Étant donné que l’axe de rotation de la Terre a une inclinaison de 23,5° par rapport à son plan de révolution autour du Soleil, la durée du jour et de la nuit peut varier selon la latitude et la période de l’année. Les jours et les nuits des régions situées à l’équateur ont annuellement une durée d’environ 12 heures, alors que ce cycle varie dans les régions situées plus au nord ou plus au sud, selon les saisons.

Pleine Lune

Lune gibbeuse croissante

Nuit Axe de rotation : inclinaison de 23,5°

Rayonnement solaire Équ

ate

ur

La rotation terrestre.

Les saisons L’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre par rapport à son plan de révolution autour du Soleil explique l’existence des saisons. La révolution terrestre dure environ 365 jours et 6 heures, soit une année. En se déplaçant sur son orbite, la Terre passe par quatre positions différentes qu’on appelle les « solstices » et les « équinoxes ». Pour les régions de l’hémisphère Nord et de l’hémisphère Sud, les changements d’angle du rayonnement solaire dans l’année ainsi que la durée d’exposition quotidienne à ce rayonnement provoquent l’alternance des saisons chaudes et froides.

Lune gibbeuse décroissante

Équinoxe de mars 23,5° Hiver

Printemps Solstice de juin

Solstice de décembre

Automne

Été

Équinoxe de septembre

L’alternance des saisons dans l’hémisphère Nord.

Rappel

227

Les caractéristiques générales de la Terre et les phénomènes géologiques et géophysiques L’atmosphère L’atmosphère est formée de l’ensemble des couches gazeuses qui entourent la Terre. Elle protège la biosphère d’une partie des radiations nocives du Soleil et de l’impact de météorites. Elle maintient sur Terre des températures moyennes qui sont propices au développement de la vie. C’est dans la couche gazeuse la plus près de la surface terrestre, la troposphère, qu’est concentrée la plus grande partie de l’air. L’air est composé d’un mélange de plusieurs gaz : environ 78 % de diazote (N2), 21 % de dioxygène (O2) et moins de 1 % d’autres gaz tels que l’argon (Ar), le dioxyde de carbone (CO2), l’ozone (O3) et la vapeur d’eau (H2O). C’est dans la troposphère que les vents se forment en raison des différences de température et de pression de l’air entre deux endroits et en raison de la rotation de la Terre.

Thermosphère De 80 à environ 450 km d’altitude

Mésosphère De 50 à 80 km d’altitude

Stratosphère De 10 à 50 km d’altitude

Troposphère De 0 à 10 km d’altitude

Les couches de l’atmosphère.

L’hydrosphère L’hydrosphère est l’ensemble de l’eau qu’on trouve sur la Terre sous les formes solide, liquide et gazeuse. Le cycle de l’eau est un cycle naturel qui permet le déplacement de l’eau sur de grandes distances grâce à l’énergie fournie par le Soleil. L’eau recouvre près de 75 % de la surface de la Terre. Elle est constituée d’eau salée (océans et mers, 97,2 %) et d’eau douce (2,8 %). La répartition de l’eau douce est la suivante : vapeur d’eau de l’atmosphère (0,001 %), eau de surface (0,02 %), nappes souterraines (0,63 %) et glaciers (2,15 %).

Condensation Précipitations Transpiration Évaporation

Ruissellement

Rayonnement solaire

Infiltration

Le cycle de l’eau.

228

Chapitre 2 Terre et espace

La structure interne de la Terre et la lithosphère La structure interne de la Terre est caractérisée par la présence de différentes couches (le noyau interne et le noyau externe, le manteau et la croûte terrestre). La lithosphère est l’enveloppe solide de la Terre qui comprend la croûte terrestre Croûte terrestre ainsi que la partie supérieure du Manteau manteau. D’une épaisseur variant de 70 à 150 km, la lithosphère Noyau externe englobe tous les éléments du Noyau interne relief tels que les montagnes, les plaines, les fosses sousmarines et les volcans.

Lithosphère Croûte terrestre

Manteau

La structure interne de la Terre.

La tectonique des plaques Le processus de formation des reliefs, l’orogénèse, façonne la lithosphère sous l’influence des mouvements des plaques tectoniques. Même si les mouvements de collision et de frottement des plaques sont très lents, ils génèrent de très grandes forces. Ces forces sont à l’origine, entre autres, de phénomènes géologiques comme les tremblements de terre et le volcanisme.

Plaque nord-américaine Plaque des Cocos Plaque du Pacifique

Plaque arabique

La lithosphère.

Plaque eurasiatique

Plaque des Caraïbes Plaque Plaque sud-américaine de Nazca

Plaque des Philippines Plaque du Pacifique

Plaque africaine

Plaque indo-australienne Plaque antarctique

Les plaques tectoniques.

L’érosion et la stratigraphie L’érosion est le processus qui transforme le relief en trois étapes. La météorisation fragmente les roches de la croûte terrestre sous l’action de différents agents physiques, chimiques ou biologiques. L’eau et le vent transportent ces sédiments qui se déposent et s’accumulent au fond d’un bassin marin, par exemple, formant ainsi, après plusieurs milliers d’années, les roches sédimentaires. Ce processus de sédimentation produit des couches stratigraphiques qui conservent la trace de phénomènes géologiques passés et de fossiles.

Transport

Sédimentation

Météorisation

Les trois étapes de l’érosion.

Rappel

229

Les types de roches et les minéraux de base La croûte terrestre est constituée de trois types de roches : les roches ignées, qui proviennent de la solidification du magma ; les roches sédimentaires, qui sont produites par l’accumulation et le compactage de sédiments d’origines diverses ; les roches métamorphiques, qui sont formées dans les profondeurs de l’écorce terrestre par la transformation, sous l’effet combiné de la chaleur et de la pression, de roches ignées ou sédimentaires. Les roches sont constituées de minéraux. Certains minéraux, comme le cuivre, l’or et le graphite, se trouvent à l’état natif dans la lithosphère, alors que d’autres s’unissent pour former des roches comme le granite.

Roche ignée (gabbro)

Roche métamorphique (quartzite)

Roche sédimentaire (calcaire)

Les trois types de roches.

Les types de sols Le sol constitue la partie superficielle de l’écorce terrestre et son épaisseur varie de quelques centimètres à un mètre environ. Il se compose généralement d’un mélange de roches concassées et de matière organique. On peut classer les sols en quatre types selon les particules qu’ils contiennent : le sol argileux (argile), le sol limoneux (limon), le sol sableux (sable) et le sol humifère (matière organique ou humus).

Les particules minérales du sol Matériau du sol

Grosseur des particules

Argile

Inférieure à 0,002 mm

Limon

Entre 0,002 mm et 0,05 mm

Sable

Entre 0,05 mm et 2 mm

De l’argile, du limon et du sable.

Les ressources énergétiques Les ressources énergétiques renouvelables regroupent l’énergie solaire, l’énergie hydraulique, l’énergie marémotrice, l’énergie éolienne, l’énergie géothermique et l’énergie de la biomasse. Les ressources énergétiques non renouvelables regroupent les énergies fossiles telles que le pétrole, le gaz naturel, le charbon et l’énergie nucléaire.

230

Chapitre 2 Terre et espace

Une centrale nucléaire.

SECTION

P

uissante source d’énergie, le Soleil est une immense sphère gazeuse et incandescente. Son diamètre est d’environ 1,4 million de kilomètres et sa masse est de 2  1030 kg. Le Soleil constitue à lui seul près de 98 % de la masse totale du système solaire. Le Soleil est à l’origine de la vie telle que nous la connaissons. C’est le Soleil qui détermine les climats et qui alimente les écosystèmes en énergie. Le rayonnement solaire est également à la base de presque toutes les énergies disponibles sur Terre. Les énergies chimiques stockées dans la biomasse (bois de chauffage, tourbe, biogaz, agrocarburant), les combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel), les énergies éoliennes et hydrauliques résultent de l’énergie solaire.

1 L’espace

1.1

Le flux d’énergie émis par le Soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 ST

1.2

STE

ATS

Le système Terre-Lune . . . . . . . . . . . . 236 ST

STE

ATS

Dans cette section, vous découvrirez plusieurs aspects du rayonnement solaire ainsi que les interactions gravitationnelles qui lient le Soleil, la Terre et son satellite, la Lune. Une des principales manifestations de ces interactions est le phénomène des marées.

231

CONCEPT

1.1 Le flux d’énergie émis par le Soleil ST STE ATS

Le flux d’énergie émis par le Soleil est l’ensemble du rayonnement électromagnétique qui s’échappe en permanence de la couche superficielle du Soleil pour se propager dans l’espace.

Voir La fission et la fusion nucléaires, p. 129. Couche superficielle * Photosphère du Soleil qui propage le rayonnement solaire.

La masse du Soleil est composée d’atomes d’hydrogène (72 %), d’hélium (26 %) et de traces d’autres éléments (2 %). En raison de la force gravitationnelle du Soleil, sa densité et sa température au cœur de son noyau sont si fortes que les noyaux d’hydrogène (les protons) entrent en collision pour fusionner et former des noyaux d’hélium. Chaque seconde, la conversion de près de 600 millions de tonnes d’hydrogène en hélium libère une énergie colossale. L’énergie massive produite au cours de cette fusion nucléaire est transportée à la surface du Soleil, la photosphère , dont elle s’échappe sous forme de rayonnement électromagnétique.

*

En se propageant dans l’espace à une vitesse de 300 000 km/s, le rayonnement solaire met un peu plus de 8 minutes pour parvenir jusqu’à la Terre. La Terre n’intercepte qu’une toute petite partie de l’énergie émise par le Soleil, soit moins d’un milliardième. L’énergie rayonnante qui est reçue en une heure pourrait théoriquement suffire à couvrir, pour un an, l’ensemble des besoins énergétiques liés à l’activité humaine.

1.1.1

La nature de l’énergie solaire

ST

STE

ATS

L’énergie solaire est un rayonnement transmis sous forme d’ondes électromagnétiques de longueurs variables. L’ensemble de ces longueurs d’onde constitue le spectre électromagnétique. Celui-ci se compose de toute la gamme des longueurs d’onde, des rayons gamma (longueur d’onde inférieure à 1011 m) aux ondes radio (longueur d’onde supérieure à 101 m). La quantité d’énergie associée à ces ondes dépend de la longueur de celles-ci. Les ondes des rayons gamma, qui sont courtes, transportent beaucoup plus d’énergie qu’un nombre égal d’ondes radio, qui sont plus longues (voir la figure 1). Longueurs d’onde très longues, énergie très faible

Longueurs d’onde très courtes, énergie très élevée

Ondes radio

Rayonnement infrarouge Micro-ondes

Rayonnement ultraviolet

Lumière visible

Rayons gamma

Rayons X

Figure 1 Le spectre électromagnétique.

Voir L’effet de serre, p. 243.

232

Chapitre 2 Terre et espace

La lumière visible est la seule partie du spectre électromagnétique qui est perceptible par l’œil humain. L’énergie solaire qui parvient jusqu’à la surface de la Terre est essentiellement composée de cette lumière visible. Une grande partie des autres types d’ondes, comme les rayons ultraviolets et les rayons infrarouges, est absorbée ou réfléchie par l’atmosphère terrestre.

1.1.2

L’insolation

ST

STE

ATS

L’insolation est la quantité de rayonnement solaire reçue à la surface de la Terre. Elle varie selon trois facteurs : la latitude terrestre, les saisons et les interactions entre les trois composantes de la biosphère (l’atmosphère, l’hydrosphère et la lithosphère). En raison de la forme à peu près sphérique de la Terre, l’angle avec lequel le rayonnement solaire frappe la surface terrestre varie selon la latitude (voir la figure 2). L’angle d’incidence est l’angle formé par le rayonnement solaire incident et la perpendiculaire à la surface de la Terre. Dans la zone intertropicale (voir la région A sur la figure 2), lorsque les rayons solaires frappent perpendiculairement la surface terrestre, l’angle d’incidence est nul. L’insolation est alors maximale. Par contre, l’angle d’incidence augmente vers les hautes latitudes à mesure qu’on se rapproche des pôles (voir la région B sur la figure 2). Les rayons solaires se répartissent donc sur une plus grande surface dans les régions polaires que près de l’équateur. Ainsi, plus l’angle d’incidence est grand, plus le rayonnement est diffus. C’est ce qui explique pourquoi l’insolation est plus faible aux pôles. L’axe de rotation de la Terre est incliné de 23,5° par rapport au plan de son orbite autour du Soleil. En raison de cette inclinaison, la révolution annuelle de la Terre autour du Soleil entraîne des fluctuations saisonnières de l’insolation et de la durée du jour. La zone qui reçoit le maximum d’insolation (angle d’incidence nul) se déplace ainsi d’un tropique à l’autre. Au solstice de décembre (voir la figure 3 a), les rayons solaires frappent perpendiculairement le tropique situé au sud de l’équateur (angle d’incidence nul). Le pôle Sud est incliné vers le Soleil alors que le pôle Nord est plongé dans l’obscurité de la nuit polaire. L’hémisphère Nord reçoit alors moins de rayonnement que l’hémisphère Sud. C’est l’hiver qui débute dans l’hémisphère Nord tandis que l’été s’installe dans l’hémisphère Sud. Six mois plus tard, la situation est inversée. C’est l’été qui débute dans l’hémisphère Nord. Les rayons solaires frappent perpendiculairement le tropique situé au nord de l’équateur (voir la figure 3 b). Aux équinoxes de mars et de septembre, les rayons frappent perpendiculairement l’équateur. L’insolation est alors la même dans l’hémisphère Nord et dans l’hémisphère Sud (voir la figure 3 c).

Tro pi

que

Équ ate u

r

Tro p

iqu e

Figure 3 a Le solstice de décembre.

e

iqu

p Tro

ur

ate

Équ

que

pi Tro

Figure 3 b Le solstice de juin.

Tropique Équateur La perpendiculaire à la surface Tropique



gio

nB

Angle d’incidence Rayonnement solaire incident

Figure 3 c Les équinoxes de mars et de septembre.

Équateur

Région A

La perpendiculaire à la surface Angle d’incidence = ~0°

Figure 2 Les variations de l’insolation selon la latitude. Section 1 L’espace

233

Dans une année, la zone intertropicale reçoit un maximum d’énergie solaire (voir la figure 4). Dans les plus hautes latitudes, plus on se rapproche des pôles, plus le flux d’énergie est variable et en quantité moindre. Cette répartition inégale du flux d’énergie solaire exerce une influence sur l’insolation et est, en partie, à l’origine des climats. Pôle Nord

Tropique du Cancer Zone intertropicale

Équateur Tropique du Capricorne

Flux d’énergie minimal

Figure 4 La distribution moyenne du flux solaire, annuellement, au sommet de l’atmosphère.

Flux d’énergie maximal

Pôle Sud

L’insolation est également influencée par des caractéristiques de l’atmosphère, de l’hydrosphère et de la lithosphère ainsi que par des interactions entre ces systèmes. Par exemple, les caractéristiques de l’atmosphère peuvent changer fréquemment dans le temps selon les conditions météorologiques ou encore à la suite de l’émission de poussières volcaniques. Ces interactions entraînent des variations de l’insolation dans une même région.

Les volcans : boucliers contre le flux d’énergie solaire Les millions de tonnes de poussières et de dioxyde de soufre (SO 2) qui sont projetées dans l’atmosphère par les fortes éruptions volcaniques peuvent exercer une influence sur l’insolation. Une fois disséminées dans l’atmosphère, ces fines particules en suspension réfléchissent la lumière vers l’espace et favorisent la formation des nuages qui filtrent les rayons solaires. De fortes éruptions, comme celle qui a eu lieu à Krakatoa (en Indonésie) en 1883, peuvent entraîner une baisse significative des températures à la surface terrestre pendant plusieurs dizaines d’années. L’éruption du Krakatoa a globalement masqué les rayons solaires pendant deux jours. Le panache de cendres volcaniques a répandu, dans l’atmosphère, assez de particules pour abaisser la température moyenne mondiale de 0,25 °C l’année suivante.

Figure 5 De fortes éruptions volcaniques peuvent entraîner une baisse importante des températures à la surface de la Terre.

234

Chapitre 2 Terre et espace

Selon différents modèles simulant l’impact climatique de l’éruption du Krakatoa, ce refroidissement aurait réduit, de façon significative, le réchauffement de la Terre au cours du 20e siècle. Ces données ont conduit certains scientifiques à proposer l’injection artificielle, dans la haute atmosphère, d’une importante quantité de SO2 pour lutter contre le réchauffement de la planète si celui-ci devenait incontrôlable. Une telle ingénierie du climat est cependant très controversée dans le monde scientifique, d’autant plus que ses effets sont imprévisibles et pourraient être néfastes. Elle présente également l’inconvénient de traiter les symptômes du problème au lieu de s’attaquer aux véritables causes du réchauffement planétaire.

Transformer la lumière en électricité L’énergie solaire est une ressource énergétique renouvelable. On peut produire de l’électricité à partir du rayonnement solaire soit directement, au moyen de la technologie des photopiles (l’énergie photovoltaïque), soit indirectement, en produisant de la chaleur à l’aide de miroirs qui concentrent les rayons solaires (l’énergie thermique).

*

Les photopiles qui sont montées dans des panneaux solaires absorbent le rayonnement solaire et le transforment directement en courant électrique (voir la figure 6). On utilise les panneaux solaires comme source d’énergie autonome ou d’appoint. Divers petits appareils électroniques, tels que les calculatrices et les montres, fonctionnent à l’aide de photopiles. On se sert aussi de l’énergie solaire pour produire de la vapeur d’eau à l’aide de miroirs paraboliques disposés en rangées (voir la figure 7). Ces miroirs réfléchissent le rayonnement Figure 6 Les panneaux solaires sont faits de photopiles solaire et le concentrent disposées les unes contre les autres. vers des tuyaux placés au foyer des miroirs. La vapeur d’eau circulant dans ces tuyaux est alors pressurisée dans des turbines qui, jumelées à des génératrices, produisent de l’électricité. La chaleur produite peut aussi être utilisée directement pour chauffer ou climatiser un bâtiment, cuire des aliments ou encore dessaler l’eau de mer.

Appareil constitué de * Photopile matériaux qui permettent de transformer la lumière en électricité. Aussi appelée « pile photovoltaïque ».

Le four solaire Le four solaire est un appareil qui permet de dévier les rayons solaires à l’aide de miroirs réflecteurs et de transformer ces rayons en chaleur. On utilise cette chaleur pour le chauffage d’une surface réduite ou la cuisson des aliments. Il existe plusieurs types de fours solaires, du petit cuiseur solaire rudimentaire au grand four solaire muni de miroirs industriels, qui peut atteindre des températures de 4 000 °C (voir la figure 8 ). Dans les pays où l’insolation est importante et où le bois est la principale source de combustible, l’utilisation de petits cuiseurs solaires est l’une des solutions envisagées pour réduire la déforestation.

Figure 8 Le four solaire d’Odeillo, dans les Pyrénées françaises.

Figure 7 En Californie, la centrale solaire de Mojave est l’une des premières centrales du monde à produire de l’électricité en transformant l’énergie rayonnante du Soleil en énergie thermique. Section 1 L’espace

235

CONCEPT

1.2 Le système Terre-Lune

ST

STE

ATS

Le système Terre-Lune est caractérisé par des interactions gravitationnelles dont l’une des manifestations sur la Terre est le phénomène des marées. La Lune effectue sa révolution autour de la Terre à une distance moyenne d’environ 385 000 km. D’une taille comparable à celle de la planète Mercure, elle est l’un des plus gros satellites du système solaire. La Lune est dépourvue d’atmosphère. Sa composition chimique et la nature de ses roches se rapprochent de celles du manteau et de la croûte terrestre.

Terre

Selon la théorie la plus largement répandue, la Lune se serait constituée des débris provenant de l’impact d’un corps céleste avec la Terre peu après la formation de cette dernière, il y a environ 4,5 milliards d’années. En raison de la force gravitationnelle exercée par la Terre, ces débris se seraient dispersés en un anneau autour de celle-ci, puis ils se seraient agglomérés pour former la Lune (voir la figure 9). Toutefois, pour expliquer l’origine de la formation de la Lune, les scientifiques ont émis plusieurs autres hypothèses. Ainsi, la Lune pourrait provenir de la capture d’un corps céleste étranger par la force d’attraction terrestre, d’une division de la Terre peu après sa formation ou encore de matériaux non utilisés lors de la formation de la Terre.

Les interactions gravitationnelles entre la Terre et la Lune ST STE ATS

1.2.1

Lune

Figure 9 Le processus de la formation de la Lune, selon l’hypothèse de la collision entre un corps céleste et la Terre.

D’après la loi de la gravitation universelle, tous les corps dotés d’une masse s’attirent mutuellement et possèdent une force gravitationnelle. La Terre et la Lune sont donc liées par des interactions gravitationnelles. L’une des caractéristiques de ces interactions est l’importance de la masse de la Lune par rapport à celle de la Terre. En effet, lorsqu’on compare le système TerreLune avec celui des planètes géantes et de leurs satellites naturels, on constate que le rapport entre la masse de la Lune et la masse de la Terre est très élevé. Il est de 1/81 alors que, par exemple, le rapport entre la masse de Triton (un satellite de Neptune) et sa planète est de 1/4 681. Il est à noter que Triton et la Lune sont en révolution à des distances assez semblables de leur planète respective. La principale manifestation de ces interactions gravitationnelles sur la Terre est la variation quotidienne du niveau des océans.

Figure 10 Le système Terre-Lune observé depuis une distance d’environ 6 millions de kilomètres par la sonde spatiale Galileo (NASA, 1990).

236

Chapitre 2 Terre et espace

1.2.2

Les marées

ST

STE

ATS

Les marées sont les mouvements verticaux périodiques du niveau de la mer, qui résultent de l’attraction de la Lune et du Soleil. La Terre est constamment soumise aux forces gravitationnelles de la Lune et du Soleil. Mais, en raison de sa proximité avec la Terre, les effets de marée de la Lune sur les océans sont environ deux fois supérieurs à ceux du Soleil. La Lune exerce sa force gravitationB nelle sur la Terre en déformant la surface des masses d’eau (voir la figure 11). En fait, les eaux qui font face à la Lune sont plus attirées que l’ensemble de la planète. Ces eaux ont alors tendance à former un renH H flement orienté vers la Lune. C’est ce qu’on appelle une « marée haute ». En revanche, les eaux situées de l’autre côté de la Terre, qui ne sont H = marée haute pas exposées à la Lune, sont moins B = marée basse Rotation de la Terre B attirées que l’ensemble de la planète. Cela correspond à un second Figure 11 La force de gravité de la Lune produit sur l’eau des océans deux renflements diamérenflement des masses d’eau. On dit tralement opposés. (Une vue du pôle Nord.) que ces eaux « restent en arrière ». Il y a donc deux marées hautes au même moment, qui sont diamétralement opposées. Au cours de la rotation de la Terre sur elle-même, les renflements d’eau se propagent, telle une onde, en modifiant quotidiennement le niveau des mers et en provoquant des marées hautes et des marées basses en alternance. La position du système Terre-Lune par rapport au Soleil régit l’amplitude des marées. Quand la Lune et le Soleil sont alignés sur la Terre, à la pleine Lune et à la nouvelle Lune, leurs forces gravitationnelles s’additionnent et provoquent des marées de plus grande amplitude. Ces marées sont appelées des « marées de vive-eau » (voir les figures 12 a et b). Par contre, lorsque la Lune et le Soleil forment un angle droit avec la Terre, au premier quartier et au dernier quartier de la Lune, leurs forces gravitationnelles s’opposent partiellement et l’amplitude des marées est plus faible. Ces marées sont appelées des « marées de morte-eau » (voir la figure 12 c).

Figure 12 a À la nouvelle Lune, il se produit une marée de « vive-eau ».

Figure 12 b À la pleine Lune, il se produit une marée de « vive-eau ».

Figure 12 c Pendant le premier quartier (illustré ci-dessus) et le dernier quartier de la Lune, il se produit deux marées de « morte-eau ». Section 1 L’espace

237

Différence de hauteur * Marnage d’eau entre une marée haute et une

Le rythme et l’amplitude des marées varient également selon le relief et la configuration des fonds océaniques et des côtes. Les marées sont d’une plus grande amplitude sur les côtes océaniques et dans les baies peu profondes, où elles créent de grands courants d’eau qui rythment la vie des écosystèmes littoraux. Dans les mers fermées, comme la Méditerranée et la mer Noire, les mouvements de marées sont, par contre, de faible amplitude. Les plus fortes marées du monde se produisent dans la baie de Fundy, au Canada (voir les figures 13 a et b). Le marnage peut y atteindre 16 m.

*

marée basse consécutives.

Figure 13 a Un port, dans la baie de Fundy, à marée

Figure 13 b Le même port, à marée basse.

haute.

L’énergie marémotrice Voir Les ressources énergétiques de l’hydrosphère, p. 298.

Les moulins à marée de jadis L’utilisation, par l’être humain, des marées comme force motrice est très ancienne. Dès le Moyen Âge, des moulins à marée destinés à moudre les grains ont été construits le long des côtes de l’Europe de l’Ouest, particulièrement en Bretagne. Un petit bassin de réserve permettait de retenir l’eau de la marée montante. À marée basse, les vannes du bassin étaient ouvertes, ce qui créait un courant d’eau suffisant pour entraîner une roue à aubes.

238

Chapitre 2 Terre et espace

L’énergie marémotrice est l’énergie produite par les mouvements d’eau créés par les marées océaniques. C’est une ressource énergétique renouvelable. Les centrales marémotrices, comme la centrale du barrage de la Rance, en France, utilisent à la fois les variations du niveau de la mer et les courants d’eau générés par les marées pour produire de l’électricité. L’énergie marémotrice est encore très peu exploitée dans le monde. Les sites où l’amplitude des marées est suffisamment importante pour être utilisée sont, en effet, peu nombreux. Au Canada, en raison de ses fortes marées, la baie de Fundy présente un grand potentiel de production d’énergie marémotrice. Toutefois, l’exploitation de l’énergie marémotrice, en perturbant l’harmonie des marées et des courants côtiers, peut provoquer l’envasement des baies et avoir des conséquences néfastes sur les écosystèmes du littoral. Aujourd’hui, de nouvelles voies sont à l’étude pour exploiter l’énergie marémotrice. Les centrales marémotrices sous-marines, comme les hydroliennes installées en haute mer, pourraient être Figure 14 Une hydrolienne ressemble à une éolienne, mais une avenue intéressante (voir ses pales sont mises en mouvement par le flux et le reflux des la figure 14). marées.

La centrale marémotrice Pour exploiter l’énergie marémotrice, la centrale doit être située à l’embouchure d’un fleuve ou d’une baie étroite, où les effets de marée sont importants. À marée montante, un barrage laisse circuler l’eau entre l’océan et le fleuve. Lorsque la marée est descendante, les vannes du barrage sont fermées pour retenir l’eau. Une fois que la hauteur de chute d’eau est suffisante, les portes d’embouchure s’ouvrent. Le courant d’eau actionne alors des turbines qui, reliées à des génératrices, produisent de l’électricité. À marée montante, si le courant de marée est assez puissant, certaines centrales marémotrices peuvent mettre en marche les turbines, qui tournent alors en sens inverse. En raison du cycle des marées, une centrale marémotrice ne fonctionne que quelques heures par jour.

Marée montante

Vanne ouverte Océan Turbine Portes d’embouchure fermées

Figure 15 a À marée montante, on ouvre les vannes pour permettre le passage de l’eau. (Une vue en coupe.) Marée descendante

Vanne fermée

Océan

Turbine en action Hauteur de chute

Portes d’embouchure ouvertes

Figure 15 b À marée descendante, on ferme les vannes pour retenir l’eau. (Une vue en coupe.)

Pour faire le point Le flux d’énergie émis par le Soleil ST

STE

ATS

(pages 232 à 235)

1. Quel type de réaction est à l’origine de l’énergie rayonnante du Soleil ? 2. a) Qu’est-ce que le rayonnement électromagnétique ? b) Quel type d’ondes électromagnétiques, issues du rayonnement solaire, atteint principalement la surface de la Terre ? c) Nommez deux types d’ondes électromagnétiques qui sont, en grande partie, absorbés ou réfléchis par l’atmosphère terrestre. 3. a) Qu’est-ce que l’insolation ? b) Quels sont les deux principaux facteurs qui influent sur l’insolation ? c) Expliquez brièvement, à l’aide de la notion d’insolation, pourquoi la température moyenne annuelle à l’équateur est plus élevée qu’au Québec.

SECTION

1

L’espace

Le système Terre-Lune

ST

STE

ATS

(pages 236 à 239)

4. a) Quel nom porte la force qui caractérise les interactions entre la Terre et la Lune, son satellite naturel ? b) Quels sont les deux principaux effets observables de cette force sur le système Terre-Lune ? 5. a) Comment nomme-t-on les marées de forte amplitude qui se produisent au moment de la pleine Lune et de la nouvelle Lune ? b) Expliquez pourquoi ces marées, au moment de la pleine Lune et de la nouvelle Lune, sont des marées de forte amplitude. 6. Nommez un facteur géographique qui exerce une influence sur l’amplitude des marées.

Section 1 L’espace

239

SECTION

1

Le flux d’énergie émis par le Soleil

L’espace

ST

STE

ATS

Ensemble du rayonnement électromagnétique qui s’échappe en permanence de la couche superficielle du Soleil pour se propager dans l’espace. • L’énergie rayonnante fournie par le Soleil est à la base de la vie, des climats et de presque toutes les énergies disponibles sur Terre. • L’énergie solaire est générée, au sein du noyau du Soleil, par des réactions de fusion nucléaire qui convertissent l’hydrogène (H) en hélium (He). • L’énergie solaire s’échappe de la photosphère sous forme d’ondes électromagnétiques de longueurs différentes : – la quantité d’énergie associée à ces ondes dépend de la longueur de celles-ci (plus une onde est courte, plus elle contient d’énergie) ; – l’énergie solaire qui se rend jusqu’à la Terre est composée, en grande partie, de la lumière visible. • La quantité de rayonnement solaire reçue à la surface de la Terre, qu’on appelle « insolation », dépend : – de la latitude ; – des saisons ; – des interactions qui se manifestent dans les grands systèmes de la biosphère.

Le système Terre-Lune

ST

STE

ATS

Interactions gravitationnelles dont l’une des manifestations sur Terre est le phénomène des marées. • Les interactions gravitationnelles entre la Terre et son satellite : – maintiennent la Lune en orbite autour de la Terre ; – sont à l’origine des marées. • Les marées sont des mouvements verticaux périodiques du niveau de la mer, provoqués par la force gravitationnelle de la Lune et du Soleil : – les effets de la Lune sont environ deux fois supérieurs à ceux du Soleil ; – les forces gravitationnelles de la Lune et du Soleil se combinent lorsque ces deux astres sont alignés sur la Terre (marées de « vive-eau ») ; – les forces gravitationnelles de la Lune et du Soleil s’opposent partiellement lorsque ces deux astres forment un angle droit avec la Terre (marées de « morte-eau »).

240

Chapitre 2 Terre et espace

SECTION

L

’atmosphère est l’enveloppe gazeuse qui entoure la Terre. En raison de sa force gravitationnelle, la Terre retient une partie des gaz autour d’elle. Ces gaz ont une épaisseur de 50 à 500 km et ils se répartissent dans les différentes couches de l’atmosphère. Les gaz les plus lourds restent à proximité de la surface terrestre alors que les gaz plus légers s’élèvent dans les hautes couches de l’atmosphère. Ainsi, plus de 99 % de la masse atmosphérique est concentrée entre 0 et 50 km d’altitude. Au-delà de cette altitude, l’air se raréfie à un point tel que les satellites artificiels, en orbite autour de la Terre, s’y déplacent comme s’ils étaient dans le vide interstellaire.

Une brève histoire de l’atmosphère Au début de sa formation, il y a environ 4,5 milliards d’années, la Terre n’a probablement pas d’atmosphère. Semblable à une boule incandescente, elle dégage alors du dihydrogène (H2) et de l’hélium (He), deux gaz très légers qui s’échappent de la force gravitationnelle terrestre pour se diffuser dans l’espace.

2

L’atmosphère

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

L’effet de serre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 ST

SE

Les masses d’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 ST

STE

ATS

La circulation atmosphérique . . . . 249 ST

STE

SE

Les cyclones et les anticyclones . . 256 ST

STE

ATS

L’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 STE

La contamination atmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 STE

2.7

STE

SE

Les ressources énergétiques de l’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 ST

STE

ATS

241

Durant les 500 millions d’années suivantes, la planète se refroidit lentement et expulse dans l’espace de grandes quantités de gaz plus lourds, comme le dioxyde de carbone (CO 2), le méthane (CH4), l’ammoniac (NH3) et la vapeur d’eau (H2O). Une grande partie de la vapeur d’eau se condense et tombe sous forme de pluie pour créer les océans. Sous l’effet de la force gravitationnelle terrestre, les gaz expulsés forment une atmosphère primitive. Cette atmosphère permet de maintenir une température moyenne assez élevée à la surface de la Terre, probablement située entre 15 °C et 30 °C et favorable au développement de la vie.

*

Organismes photosynthétiques Végétaux et bactéries qui utilisent la photosynthèse.

Il y a environ 2,5 milliards d’années, l’apparition des premiers organismes photosynthétiques provoque la libération de dioxygène (O 2) dans l’atmosphère, tout en réduisant la teneur en dioxyde de carbone (CO2). Ce processus contribue à transformer radicalement la composition chimique de l’atmosphère. Le développement de la vie sur la Terre est donc, en partie, à l’origine de la composition de l’atmosphère telle que nous la connaissons.

*

La composition actuelle de l’atmosphère Diazote 78 %

Dioxygène 21 %

1%

Argon (0,93 %) Dioxyde de carbone (0,03 %) Néon Hélium Méthane Krypton (traces) Xénon Dihydrogène Ozone

Figure 16 La composition de l’atmosphère. (L’eau présente dans l’atmosphère étant généralement considérée comme un constituant de l’hydrosphère, elle n’apparaît pas dans le diagramme. La teneur en vapeur d’eau dans l’atmosphère peut varier selon les conditions météorologiques.)

Le constituant le plus abondant de l’atmosphère est le diazote (N2). Il est essentiel à la croissance des végétaux, qui ne peuvent l’assimiler directement de l’atmosphère. Pour que les végétaux puissent l’assimiler, le diazote gazeux doit d’abord être transformé en composés azotés par des bactéries présentes dans le sol. Le dioxygène (O2) est le deuxième gaz en importance dans l’atmosphère terrestre. Il est essentiel à la vie telle que nous la connaissons aujourd’hui, et sa teneur dans l’atmosphère est maintenue constante grâce à l’apport continu de la photosynthèse. Les autres constituants de l’atmosphère sont un mélange de plusieurs gaz, qui représentent environ 1 % des constituants gazeux de l’atmosphère. Enfin, de l’eau et de fines particules solides et liquides en suspension dans l’air, qu’on appelle les « aérosols », sont aussi présentes en quantités variables dans l’atmosphère. Les aérosols se composent principalement de poussières et de pollens.

242

Chapitre 2 Terre et espace

CONCEPT

2.1 L’effet de serre

ST

STE

SE

L’effet de serre est un processus naturel de réchauffement de l’atmosphère. La presque totalité de l’énergie disponible sur Terre provient du rayonnement solaire. Toutefois, seule une petite partie de cette énergie rayonnante est absorbée par l’atmosphère et par la surface de la Terre, le reste de cette énergie étant réfléchi par la Terre vers l’espace. Grâce à l’énergie absorbée, la Terre et son atmosphère se réchauffent, puis cette chaleur est renvoyée vers l’espace sous forme de rayonnement infrarouge.

2.1.1

L’effet de serre naturel

ST

STE

SE

L’effet de serre est un processus naturel de réchauffement de l’atmosphère, dans lequel certains gaz bloquent une partie de la chaleur en l’emprisonnant temporairement près du sol (voir la figure 17). Sans la présence de ces gaz dans l’atmosphère, qu’on nomme les gaz à effet de serre, toute l’énergie absorbée par la surface de la Terre et par son atmosphère serait renvoyée rapidement dans l’espace.

Espace

1 La Terre reçoit de l’énergie solaire. 2 Une partie du rayonnement solaire est absorbée par l’atmosphère et atteint la surface terrestre.

3 5

1

3 Une partie du rayonnement solaire est réfléchie par l’atmosphère vers l’espace.

Atmosphère 2 4 Surface de la Terre

6

4 L’énergie du rayonnement solaire réchauffe le sol. Celui-ci émet des rayons infrarouges (chaleur) vers l’atmosphère. 5 Une partie des rayons infrarouges traverse l’atmosphère et atteint l’espace. 6 Le reste des rayons infrarouges est emprisonné dans l’atmosphère par les gaz à effet de serre.

Figure 17 L’effet de serre naturel.

Les gaz à effet de serre (GES) présents naturellement dans l’atmosphère sont : la vapeur d’eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et l’oxyde de diazote (N2O). Sans ces gaz, il n’y aurait pas d’effet de serre naturel. La température moyenne, à la surface de la Terre, serait alors d’environ 18 °C.

Section 2 L’atmosphère

243

2.1.2

L’effet de serre renforcé

ST

STE

SE

Au cours des deux derniers siècles, la proportion de dioxyde de carbone (CO2) dans l’atmosphère a beaucoup augmenté, en raison notamment de l’utilisation des énergies fossiles (charbon, pétrole et gaz naturel). Avec l’augmentation importante des concentrations de deux autres GES, le méthane (CH4) et l’oxyde de diazote (N2O), l’atmosphère tend à bloquer davantage, et plus longtemps, la chaTableau 1 Le potentiel de réchauffement climatique des trois principaux GES leur près du sol. De plus, ces deux GES ont émis par l’activité humaine un potentiel de réchauffement climatique Potentiel Persistance plusieurs fois supérieur à celui du dioxyde Gaz à effet de serre de réchauffement dans l’atmosphère (GES) de carbone (voir le tableau 1). climatique (en années) Dioxyde de carbone (CO2) Méthane (CH4) Oxyde de diazote (N2O)

1*

De 50 à 200

De 11 à 23

10

De 296 à 320

De 120 à 150

L’effet de serre renforcé est le réchauffement accéléré de l’atmosphère dû à la présence d’un surplus de gaz à effet de serre issu de l’activité humaine. Il provoque une augmentation de la température moyenne à la surface de la Terre en emprisonnant plus longtemps la chaleur dans l’atmosphère (voir la figure 18).

* Le dioxyde de carbone servant de valeur étalon, le méthane possède donc de 11 à 23 fois plus de potentiel de réchauffement climatique que le dioxyde de carbone.

Espace

1 La Terre reçoit de l’énergie solaire. 2 Une partie du rayonnement solaire est absorbée par l’atmosphère et atteint la surface terrestre.

3

1

5

3 Une partie du rayonnement solaire est réfléchie par l’atmosphère vers l’espace. 4 L’énergie du rayonnement solaire réchauffe le sol. Celui-ci émet des rayons infrarouges (chaleur) vers l’atmosphère. 5 Une plus petite partie des rayons infrarouges traverse l’atmosphère et atteint l’espace. 6 Davantage de rayons infrarouges sont emprisonnés et la température moyenne augmente.

Atmosphère 2 4 Surface de la Terre

6

Température moyenne à la hausse

Figure 18 L’effet de serre renforcé.

C’est chaud, c’est froid ! La Lune ne possède pas d’atmosphère capable d’absorber le rayonnement solaire et de réguler la température. La température moyenne de sa surface est d’environ 18 °C, et les écarts de température y sont considérables (de 170 °C à 120 °C). Pour atténuer ces écarts de température, les combinaisons des astronautes sont équipées d’un système de circulation de fluide caloporteur (transportant la chaleur d’un point à un autre) qui répartit uniformément la chaleur entre les faces exposées au Soleil et les faces ombragées.

244

Chapitre 2 Terre et espace

Figure 19 La combinaison spatiale : une protection pour l’astronaute.

Les gaz à effet de serre et le déboisement Grâce à la photosynthèse, les arbres absorbent de grandes quantités de dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique, qu’ils stockent dans le bois et dans le sol. Les forêts sont, après le plancton océanique, le principal réservoir naturel de carbone. C’est pourquoi on les appelle les « puits de carbone ». La déforestation a donc des effets sur la composition de l’atmosphère. Elle serait responsable de 20 % à 30 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre (GES). Les principales sources de CO2 liées à la déforestation sont les feux de forêt, allumés pour faire du déboisement, la combustion de charbon de bois et la décomposition des résidus de bois. La déforestation, en diminuant la capacité d’absorption du CO2 et en augmentant la quantité de CO2 libérée dans l’atmosphère, accélère, dans les hémisphères Nord et Sud, le renvoi de carbone dans l’atmosphère. Elle contribue ainsi à accroître l’effet de serre renforcé.

Voir Le cycle du carbone, p. 348.

L’inventaire canadien des gaz à effet de serre À titre de signataire de la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques, le Canada est tenu de procéder à un inventaire de ses émissions de gaz à effet de serre (GES). Ainsi, en 2004, le total des émissions canadiennes de GES s’élevait à 758 millions de Procédés Agriculture tonnes d’équivalents en dioxyde Décomposition industriels (7 %) (7,5 %) des déchets de carbone (CO2). Cela repré(3,5 %) sente une augmentation de 25 % en 15 ans.

LE PROTOCOLE DE KYOTO

Émissions de CO2 en mégatonnes (Mt)

Cette croissance importante des émissions de GES est due principalement aux secteurs de la production d’énergie et des transports (voir la figure 20).

Transports (27 %)

Production d’énergie (55 %)

Figure 20 Les émissions canadiennes de GES en 2004.

897

900 828

850 800

758

750 682

700 650 600

694

599

Émissions prévues de 2004 à 2020

563

550 500 450

1990

REPÈRE

1995

2000

2005 Année

2010

Objectif de réduction du protocole de Kyoto (en 2012) 2015

2020

Source : Données tirées du Rapport du Canada sur les progrès démontrables aux termes du protocole de Kyoto, gouvernement du Canada, 2006.

En 1998, le Canada et 160 autres pays concluent une entente de principe portant sur un objectif de réduction de 5 % des gaz à effet de serre d’ici 2012. Le protocole de Kyoto prévoit la signature du traité, puis sa ratification par les pays qui participent à l’accord. Certains pays, comme les États-Unis, tardent à approuver le protocole pour des raisons économiques. Bien que le Canada l’ait ratifié en 2002, on constate, dès 2004, que le retard à voter des mesures concrètes de réduction de GES a rendu l’objectif de 2012 inatteignable (voir la figure 21).

Figure 21 Les émissions annuelles de CO2 au Canada. Section 2 L’atmosphère

245

CONCEPT

2.2 Les masses d’air

ST

STE

ATS

Une masse d’air est une partie de l’atmosphère qui est de température et d’humidité relativement constantes. Bien que l’air soit presque constamment en mouvement dans l’atmosphère, de très grands volumes d’air restent assez longtemps au même endroit pour acquérir les conditions de température et d’humidité du sol ou de l’étendue d’eau au-dessus desquels ils se trouvent. En météorologie, ces immenses volumes d’air portent le nom de « masses d’air ».

2.2.1

Les types de masses d’air

ST

STE

ATS

Les météorologues classifient les masses d’air au moyen d’un système qui met en relation l’humidité et la température qui les caractérisent. L’Amérique du Nord est généralement recouverte de quatre grands types de masses d’air (voir la figure 22), qui se déplacent et Masse d’air se succèdent. Ces masses d’air coumaritime arctique vrent des surfaces variables du conti(mA) nent ou des océans selon le moment de l’année. Masse d’air maritime polaire (mP)

Masse d’air continental arctique (cA)

Masse d’air maritime polaire (mP)

Masse d’air maritime tropical (mT)

Masse d’air maritime tropical (mT)

Figure 22 Les masses d’air les plus communes en Amérique du Nord.

Tableau 2 Les masses d’air les plus communes en Amérique du Nord et leurs caractéristiques Masse d’air

Masse d’air continental arctique (cA)

Humidité

Température

Air sec

Air très froid

Masse d’air maritime arctique (mA) Masse d’air maritime polaire (mP) Masse d’air maritime tropical (mT)

246

Chapitre 2 Terre et espace

Air très froid Air humide

Air froid Air chaud

Pour désigner l’humidité des masses d’air, on fait appel à deux qualificatifs : sec et humide. L’air sec est une masse d’air continental alors que l’air humide est une masse d’air maritime. Quant à la température des masses d’air, on la distingue par trois qualificatifs : chaud, très froid et froid. L’air chaud, qui vient du sud, est de l’air tropical ; l’air très froid, qui vient du pôle en hiver, est de l’air arctique ; l’air froid, qui vient du nord en été, est de l’air polaire. En associant ces qualificatifs, on obtient le nom des masses d’air les plus communes (voir le tableau 2). C’est le déplacement des masses d’air et le fait qu’elles se rencontrent et se mélangent qui sont responsables des conditions de beau temps et de mauvais temps. La formation des nuages et le phénomène de rosée sont en lien étroit avec l’humidité des masses d’air.

2.2.2

L’humidité relative

ST

STE

ATS

L’air est un fluide compressible, c’est-à-dire qu’il est formé de molécules qui sont éloignées les unes des autres. À pression constante, l’espace entre les molécules est plus grand lorsque la température est élevée que lorsque la température est basse. En raison du plus grand espace entre les molécules d’air, plus la température est élevée, plus l’air peut contenir de vapeur d’eau, et ce, jusqu’à ce qu’il atteigne sa quantité de vapeur d’eau maximale. Une fois la quantité de vapeur d’eau maximale atteinte, on dit que l’air est saturé. Son pourcentage d’humidité relative (HR) est alors de 100 %. Si, à une température donnée, l’air contient la moitié de la vapeur d’eau qu’il peut contenir au maximum, l’humidité relative est de 50 %. L’humidité relative est le pourcentage de la quantité maximale de vapeur d’eau que l’air peut contenir à une température donnée. L’humidité est donc « relative » à la température (voir la figure 23). Par exemple, à 100 % d’humidité relative, l’air à une température de 25 °C contient plus de vapeur d’eau que l’air à une température de 10 °C. Le point de rosée est la température à laquelle l’air devient saturé de vapeur d’eau (humidité relative de 100 %). Quand l’air chaud et humide se refroidit, il atteint une température à laquelle il ne peut plus retenir la quantité de vapeur d’eau qu’il contient. La vapeur d’eau se condense alors et l’air expulse

À 100 % d’humidité relative, l’air à 25 °C contient environ 20 g de vapeur d’eau.

%

20

%

100

BROUILLARD

À 100 % d’humidité relative, l’air à 10 °C contient environ 7,5 g de vapeur d’eau.

80 e rb ou

du

% 70

de

%

10

t in po

e sé

ro

60

Masse d’eau par kilogramme d’air sec (g/kg)

%

90

15

C

%

40

%

30 %

AIR HUMIDE

5

50

20 %

10 %

0

5

10 15 Température (°C)

20

25

Figure 23 L’humidité relative et la température.

Section 2 L’atmosphère

247

son surplus d’eau sous forme de microgouttelettes (ou de cristaux) qui se déposent sur les objets, près du sol. Ce phénomène porte le nom de « rosée », ou de « givre » lorsque la température est inférieure à 0 °C (voir la figure 24). De la même manière, l’air humide se refroidit en altitude jusqu’à son point de rosée pour former les nuages ou, au niveau du sol, le brouillard.

Figure 24 Une plante recouverte de givre.

Si l’air à la surface du sol est à une température de 15 °C et à une humidité relative de 80 %, et que sa température baisse au-dessous de 11 °C environ, son humidité relative grimpera à 100 %. Le point de rosée sera alors atteint, et il y aura formation de brouillard (voir la figure 23, à la page 247).

L’histoire du climat et le comportement des masses d’air

Plantes apparentées * Herbacées à l’herbe.

Manière dont se produisent * Régime des phénomènes (comme des précipi-

Les masses d’air transportent avec elles les grains de pollen produits par les végétaux. En analysant les grains de pollen trouvés dans les couches sédimentaires, les scientifiques tentent de créer des modèles pour décrire les variations climatiques du passé. Ainsi, il est possible d’associer les fluctuations des pollens dans des sédiments aux changements d’humidité des masses d’air à travers le temps. Par exemple, la présence de pollens d’arbres dans les sédiments permettrait de conclure à une phase d’accroissement de la forêt correspondant à la présence marquée de masses d’air humide. La hausse de pollens d’herbacées dans les sédiments témoignerait d’une phase climatique plus aride et de la présence marquée de masses d’air sec. De telles modifications dans les sédiments ont été observées dans certaines régions du Brésil. Elles signifieraient que les masses d’air polaire de l’hémisphère Sud, en provenance de l’Antarctique, aient pu, lors de périodes de refroidissement, remonter plus au nord et modifier le régime de précipitations qui y régnait.

*

*

tations).

La capacité thermique des masses d’air

Appareil qui permet * Thermopompe soit le chauffage, soit la climatisation, en transférant la chaleur d’un milieu à plus basse température vers un milieu à température plus élevée, grâce au principe du cycle de réfrigération.

248

Chapitre 2 Terre et espace

Les masses d’air emmagasinent d’énormes quantités d’énergie, principalement sous forme d’énergie thermique. Une partie de la chaleur contenue dans les masses d’air peut être utilisée comme source de chauffage ou de climatisation, grâce aux systèmes des thermopompes . Pour que ces systèmes offrent un rendement énergétique adéquat, il est nécessaire que la température de l’air extérieur soit supérieure à 18 °C. À cette température, l’air froid contient encore suffisamment de chaleur pour que la thermopompe puisse y puiser de la chaleur. Les thermopompes peuvent également fonctionner en sens inverse pour climatiser l’air intérieur (voir la page 270).

*

CONCEPT

2.3 La circulation atmosphérique

ST

STE

SE

La circulation atmosphérique correspond au mouvement et au déplacement de l’air à l’échelle de la planète. L’air de l’atmosphère est continuellement en circulation autour de la Terre. Il est mis en mouvement par l’énergie rayonnante du Soleil. En se déplaçant, l’air distribue, à l’échelle de la planète, la chaleur qu’il emmagasine. La circulation atmosphérique assure donc la répartition de la chaleur issue de l’énergie solaire.

2.3.1

La convection

ST

STE

SE

La convection est un transfert de chaleur qui provoque le déplacement des particules d’un fluide, comme de l’air, d’un endroit à un autre. Par exemple, lorsque l’air se réchauffe au-dessus de la flamme d’une bougie, il se dilate et son volume augmente. Ce faisant, sa masse volumique diminue et l’air chauffé monte. En montant et en s’éloignant de la flamme, l’air se refroidit, il se contracte et sa masse volumique augmente. L’air refroidi étant plus dense que l’air chauffé, il redescend pour se réchauffer à proximité de la flamme de la bougie et poursuivre le cycle (voir la figure 25). On nomme courant de convection ce déplacement de l’air qui prend la forme d’une boucle. B Air chaud A

Air froid C

Source de chaleur

D

A L’air chauffé se dilate. Sa masse volumique diminue et l’air chaud monte. B En s’éloignant de la source de chaleur, l’air se refroidit et se contracte. C La masse volumique de l’air froid augmente et l’air froid redescend. D L’air froid se substitue à l’air chaud qui monte.

Figure 25 Le phénomène de convection.

Le même phénomène se produit dans l’atmosphère, mais à une échelle beaucoup plus grande. Ainsi, en raison de l’insolation, les régions près de l’équateur se réchauffent, en moyenne, beaucoup plus que toutes les autres régions

Voir Le flux d’énergie émis par le Soleil, p. 233.

Section 2 L’atmosphère

249

du globe. En se réchauffant, l’air se dilate et monte dans la troposphère. De l’air plus frais, venu du nord et du sud de l’équateur, vient le remplacer. En raison des dimensions de la Terre, l’air plus frais qui converge vers l’équateur n’arrive pas directement des régions polaires. En fait, la circulation de l’air plus frais et de l’air plus chaud s’effectue grâce à six grands courants de convection, en forme de boucle, disposés de part et d’autre de l’équateur (voir la figure 26). Les courants de convection de la zone intertropicale et ceux des régions polaires sont les quatre principaux courants de convection. Les deux courants des régions tempérées font, quant à eux, la jonction entre les courants intertropicaux et les courants polaires.

Tropique

Courants polaires

Courants Courants des régions intertropicaux tempérées Équateur

Tropique

Figure 26 L’aspect général des six courants de convection de la Terre si celle-ci n’effectuait pas de rotation sur elle-même.

Ces six courants de convection mettent en mouvement l’air de l’atmosphère, en permettant des échanges de chaleur de l’équateur vers les pôles. Cependant, les courants de convection ne sont pas seuls à influer sur la circulation atmosphérique. Un autre facteur est également en cause : la rotation de la Terre sur elle-même.

2.3.2

La force de Coriolis

ST

STE

SE

La rotation de la Terre crée une force qui fait dévier tout objet en mouvement, par exemple de l’air, à la surface terrestre. Cette force, créée par la rotation de la Terre, est appelée force de Coriolis.

250

Chapitre 2 Terre et espace

La force de Coriolis produit des effets contraires selon que l’air en mouvement dans un courant de convection est situé dans l’hémisphère Nord ou dans l’hémisphère Sud. Dans l’hémisphère Nord, la trajectoire des courants de convection est déviée vers la droite, dans le même sens que celui des aiguilles d’une montre. Dans l’hémisphère Sud, les courants sont déviés vers la gauche, dans le sens contraire des aiguilles d’une montre (voir la figure 27).

Régions tempérées de l’hémisphère Nord Tropique

Air dévié par la force de Coriolis

Zone intertropicale Équateur

Tropique

Régions tempérées de l’hémisphère Sud

REPÈRE

GASPARD-GUSTAVE CORIOLIS Figure 27 La combinaison des mouvements causés par les courants de convection et la rotation de la Terre.

L’aspect général de la circulation atmosphérique résulte donc à la fois des courants de convection et de la force de Coriolis. Ces deux effets conjugués régissent également l’orientation particulière des vents dominants.

2.3.3

Les vents dominants

STE

SE

Les vents dominants sont de grands couloirs de vents dont la direction est déterminée à la fois par les courants de convection et la force de Coriolis. Selon les régions où ces deux effets se combinent, les vents dominants soufflent dans des directions particulières. Ainsi, dans les régions tempérées de l’hémisphère Nord, là où se trouve la majeure partie du Canada et des États-Unis, les vents dominants soufflent d’ouest en est (voir la figure 28, à la page 252).

Ingénieur, mathématicien et physicien français (1792-1843) Gaspard-Gustave Coriolis est surtout connu pour la « force de Coriolis ». La découverte de cette «force» a donné naissance à une loi de la physique que Coriolis a exprimée ainsi: «Toute particule en mouvement dans l’hémisphère Nord est déviée vers sa droite (ou vers sa gauche dans l’hémisphère Sud).» En hommage à sa contribution à la science, son nom a été gravé au premier étage de la tour Eiffel, à Paris, et un cratère de la Lune a été nommé «Coriolis».

Section 2 L’atmosphère

251

C’est pourquoi la plupart des systèmes météorologiques qui touchent le Québec passent d’abord par l’Ontario. Ces systèmes font le plein de vapeur d’eau au-dessus des Grands Lacs, poursuivent généralement leur route vers l’est et atteignent le Québec, puis traversent les provinces maritimes. Dans les régions intertropicales, les vents dominants, qu’on appelle « alizés », soufflent de l’est vers l’ouest. Les vents d’est polaires sont des vents dominants à proximité des pôles. Pôle Nord Vents d’est polaires 60° N

Vents d’ouest dominants

30° N

Alizés du nord-est Équateur

Alizés du sud-est

30° S

Vents d’ouest dominants

Pôle Sud

60° S

Vents d’est polaires

Figure 28 Les vents dominants.

Fermont, une ville protégée des vents dominants du nord Fermont est une ville minière du Québec, qui a une population d’environ 2 700 habitants. Cette ville est située à la frontière du Labrador, à quelques centaines de kilomètres de la CôteNord. La région de Fermont est soumise en permanence à des vents dominants du nord. Pour protéger les habitants de ces vents glaciaux, deux architectes québécois, Maurice Desnoyers et Norbert Schoenauer, ont eu l’idée de construire un énorme mur écran. D’une hauteur moyenne de 20 m et d’une longueur de 1,3 km, ce mur écran a été construit en forme de pointe orientée vers le nord–nord-ouest. Il a la particularité d’abriter des habitations, les services municipaux, une école et un centre commercial.

252

Chapitre 2 Terre et espace

Figure 29 Le mur écran de Fermont.

2.3.4

Les courants-jets

ST

STE

SE

Les courants-jets sont des vents très rapides qui circulent au sommet de la troposphère, à une altitude de 8 à 14 km et à une vitesse variant de 100 à 360 km/h autour de certaines régions du globe. Les courants-jets s’étirent sur plusieurs milliers de kilomètres de longueur, sur quelques centaines de kilomètres de largeur, et ils ont de 2 à 3 km d’épaisseur. On peut les imaginer comme des rails aériens qui orientent le déplacement des systèmes météorologiques. Les courants-jets sont générés par le contact entre les masses d’air de températures différentes. C’est pourquoi, dans chaque hémisphère, on les observe généralement à la jonction des zones polaires et tempérées, et des zones tempérées et tropicales. Les courants-jets suivent des trajectoires circulaires, à la manière de longs rubans ondulants à haute altitude. Selon les saisons, les courants-jets peuvent être plus ou moins sinueux. Au Québec, par exemple, la trajectoire du courantjet en hiver descend plus au sud et les masses d’air froid envahissent le sud du territoire (voir la figure 30 a). En été, c’est le contraire. Le courant-jet monte vers le nord et les masses d’air plus chaud s’installent sur les régions du sud et du nord du Québec (voir la figure 30 b).

Pôle Nord

L’influence du courant-jet sur le transport aérien Les compagnies aériennes doivent tenir compte du courant-jet lorsqu’elles font les plans de vol de leurs appareils. En voyageant d’ouest en est, les pilotes qui partent de l’Amérique du Nord et vont vers l’Europe profitent du courant-jet afin d’accélérer leur temps de vol. C’est donc la présence du courant-jet qui explique pourquoi le voyage de Montréal à Paris est plus rapide que le voyage de retour. À l’inverse, en Amérique du Nord, le voyage de Montréal à Vancouver sera plus long que le voyage de retour. Courant-jet

Pôle Nord Courant-jet

Équateu

r

Équateu

r

Pôle Sud

Figure 30 a Au Québec, le courant-jet descend vers le sud en hiver.

Pôle Sud

Figure 30 b En été, le courant-jet remonte vers le nord.

Les courants-jets ont des effets sur la circulation atmosphérique. Situés entre les masses d’air froid et d’air chaud, ils sont en partie responsables des températures régionales. Ils déterminent également la trajectoire des systèmes météorologiques. Des changements dans le parcours sinueux des courants-jets contribuent donc aux changements des conditions météorologiques, c’est-à-dire au beau temps ou au mauvais temps.

Section 2 L’atmosphère

253

Les conséquences possibles du réchauffement climatique sur les vents dominants Certains modèles mathématiques simulant l’évolution des climats suggèrent que le réchauffement climatique pourrait modifier la circulation atmosphérique générale. La modification de la circulation des vents dominants serait susceptible d’augmenter localement les précipitations, les épisodes de sécheresse, l’érosion et l’élévation du niveau de la mer. En outre, cela pourrait provoquer ou accélérer la fonte des glaciers de la péninsule antarctique et du Groenland ainsi que le recul de plusieurs glaciers de montagne dans certaines régions du monde.

Voir L’ozone, p. 261.

Selon diverses données recueillies, la péninsule antarctique a connu un réchauffement important d’environ 6 °C au cours des 50 dernières années. Ce réchauffement s’est manifesté de façon spectaculaire en 2002 par l’effondrement, dans l’océan, d’une grande plateforme de glace dont la superficie était équivalente à environ six fois celle de l’île de Montréal (voir la figure 31). Une étude scientifique émet l’hypothèse que cette fonte impressionnante de la plateforme glaciaire, appelée « Larsen B », puisse être liée à l’arrivée des vents dominants chauds en Antarctique. D’après les chercheurs, le réchauffement de la troposphère engendré par les gaz à effet de serre (GES) et la diminution de l’ozone stratosphérique seraient directement responsables du renforcement local des vents d’ouest dans cette région du globe.

1

2 31 janvier

3

17 février

4 23 février

5 mars

Figure 31 L’effondrement progressif de la plateforme Larsen B, en 2002.

254

Chapitre 2 Terre et espace

Pollution sans frontières Le 26 avril 1986, l’explosion de l’un des quatre réacteurs de la centrale nucléaire de Tchernobyl, en Ukraine (Europe de l’Est), provoque une catastrophe environnementale d’une ampleur jusqu’alors insoupçonnée. L’explosion d’un réacteur nucléaire puis sa combustion pendant une dizaine de jours libèrent dans l’atmosphère une énorme quantité de poussières radioactives. La population locale a été directement soumise à des doses très élevées de radiations entraînant des contaminations mortelles. Dans l’atmosphère, les particules radioactives volatiles se sont élevées à plus de 10 000 m d’altitude. Ces particules ont formé, en raison des vents, des nuages radioactifs qui, sous l’action de la circulation atmosphérique et des vents dominants, se sont déplacés et ont balayé l’ensemble de l’Europe.

Tchernobyl (26 avril 1986)

Figure 32 La dispersion du nuage de retombées radioactives, sous l’action des vents dominants, sept jours après l’accident nucléaire de Tchernobyl.

Il n’y a pas que la pollution radioactive qui ne connaît pas de frontières. Depuis quelques décennies, les analyses des carottes glaciaires révèlent que les glaces de l’Antarctique et de l’Arctique contiennent de plus en plus de produits chimiques, comme des résidus de pesticides et des métaux lourds (plomb, mercure), issus de l’activité humaine. Cela confirme que, sous l’effet des vents dominants et des grands courants atmosphériques planétaires, les polluants sont transportés vers le nord ou vers le sud sur des milliers de kilomètres.

Section 2 L’atmosphère

255

CONCEPT

2.4 Les cyclones et les anticyclones

ST

STE

ATS

Un cyclone, également appelé « zone de basse pression » ou « dépression », est une zone de l’atmosphère où de l’air relativement chaud monte en tournant. Un anticyclone, également appelé « zone de haute pression », est une zone de l’atmosphère où de l’air relativement froid descend en tournant.

Figure 33 Un cyclone approche de la côte est de la Floride.

2.4.1

Dans l’atmosphère, les masses d’air sont constamment en mouvement. Elles forment des systèmes météorologiques tels que les cyclones (voir la figure 33) et les anticyclones, qui sont responsables du temps qu’il fait dans une région pendant une période donnée. L’étude de la formation de ces systèmes et de leur comportement a permis de concevoir les modèles de prévision météorologique, basés en particulier sur les changements de pression atmosphérique.

La pression atmosphérique

ST

STE

ATS

La pression atmosphérique est la force exercée par le poids de l’atmosphère sur la surface de la Terre. L’air exerce une pression sur toutes les surfaces avec lesquelles il est en contact. La pression exercée par l’atmosphère sur la surface terrestre est très forte, car elle représente le poids de toutes les molécules de gaz qui composent l’atmosphère. Toutefois, cette pression diminue rapidement avec l’altitude. Plus on monte en altitude, moins il y a de molécules d’air pour exercer de la pression (voir la figure 34).

25 km

3,5 kPa Faible pression atmosphérique

5 km

51,6 kPa

1 km

88,5 kPa

Niveau de la mer

101,3 kPa Forte pression atmosphérique

Figure 34 La pression atmosphérique et l’altitude. La pression atmosphérique est exprimée en kilopascals (kPa).

256

Chapitre 2 Terre et espace

La pression atmosphérique varie également en fonction de la température de l’air. En effet, l’air chaud est moins dense que l’air froid. Ainsi, une couche d’air chaud de même épaisseur qu’une couche d’air plus froid exercera une pression moindre. C’est à l’aide d’un baromètre qu’on mesure la pression atmosphérique. La pression atmosphérique normale, établie à 101,3 kPa, est une estimation de la pression moyenne des masses d’air, mesurée au niveau de la mer des régions tempérées. Une pression inférieure à 101,3 kPa est considérée comme une basse pression, alors qu’une pression supérieure à 101,3 kPa est considérée comme une haute pression.

La formation des anticyclones ST STE ATS

2.4.2

L’air de l’atmosphère est rarement immobile. Les courants de convection sont responsables des mouvements de l’air. Lorsqu’une masse d’air se déplace au-dessus d’un sol froid, l’air se refroidit, devient plus dense et descend vers le sol. À mesure que l’air arrive au sol, de plus en plus d’air froid est aspiré

des altitudes supérieures. L’air froid étant plus dense et en mouvement vers le bas, il exerce plus de pression. Il se forme alors une zone de haute pression, c’està-dire un anticyclone. L’air, comme tous les fluides, s’écoule des zones de haute pression (A) vers les zones de basse pression (D). Lorsqu’il arrive au sol, l’air est chassé du centre de la haute pression (endroit où la pression est la plus forte) vers l’extérieur, en direction des zones de basse pression (voir la figure 35). Lors de ce déplacement, l’air de l’anticyclone est dévié par la force de Coriolis. Il se met à tourbillonner, dans l’hémisphère Nord, dans le même sens que celui des aiguilles d’une montre et, dans l’hémisphère Sud, dans le sens contraire des aiguilles d’une montre. Dans un anticyclone, l’air relativement froid descend et tourbillonne dans le même sens que celui des aiguilles d’une montre (hémisphère Nord).

Voir La circulation atmosphérique, p. 250.

Dans un cyclone, l’air relativement chaud monte et tourbillonne dans le sens contraire des aiguilles d’une montre (hémisphère Nord).

Haute pression (A)

Basse pression (D)

Vent

L’air froid se déplace vers les zones de basse pression où il s’élève en altitude après s’être réchauffé.

Figure 35 Les systèmes de haute pression (anticyclone) et de basse pression (cyclone) dans l’hémisphère Nord.

L’air froid des anticyclones qui provient des hautes altitudes est généralement sec, ce qui n’entraîne pas de formation nuageuse. Les anticyclones sont souvent si grands qu’ils constituent à eux seuls une masse d’air. En conséquence, les conditions météorologiques (ciel dégagé et air plutôt sec) qu’ils apportent, en se déplaçant, peuvent durer plusieurs jours. Le fait que les anticyclones restent longtemps au-dessus d’une région peut même causer des périodes de sécheresse ou de froid intense.

2.4.3

La formation des cyclones

ST

STE

ATS

Lorsque l’air circule à la surface d’un sol relativement chaud ou d’un océan, il se réchauffe. Sa masse volumique diminue. L’air chaud monte sous l’effet des courants de convection, ce qui forme, en raison de sa faible densité, une zone de basse pression. En montant, l’air chaud aspire de l’air plus froid qui vient combler le vide laissé au sol. Encore une fois, l’air qui se déplace subit l’influence de la force de Coriolis et sa trajectoire est déviée. Il se met à tourbillonner, dans l’hémisphère Nord, dans le sens contraire des aiguilles d’une montre et, dans l’hémisphère Sud, dans le même sens que celui des aiguilles d’une montre, tout en se rapprochant du centre de la basse pression. Il forme alors un cyclone, qu’on appelle également une « dépression » (voir la figure 35).

Section 2 L’atmosphère

257

Les cyclones se forment généralement au point de rencontre de deux masses d’air et sont de taille beaucoup plus petite que les anticyclones. Ils apportent des conditions atmosphériques instables et laissent, sur leur passage, des précipitations et des vents. Ces vents, dont la vitesse varie de faible à violente, peuvent causer de fortes tempêtes. L’ouragan est la forme la plus imposante que peut prendre un cyclone. Selon les régions où ils se produisent, les ouragans sont désignés différemment (ouragans, cyclones tropicaux, typhons). Ces régions se situent généralement entre le tropique du Cancer et le tropique du Capricorne (voir la figure 36).

Ouragans (océans Atlantique et Pacifique Nord-Est)

Tropique du Cancer

Cyclones tropicaux (océan Indien)

Tropique du Capricorne

Équateur

Typhons (océan Pacifique Ouest)

Figure 36 Les régions propices à la formation d’ouragans. Les flèches indiquent les trajectoires habituelles des ouragans.

Tableau 3 Les stades d’évolution d’une dépression en ouragan

Trois conditions générales régissent la formation d’un ouragan :

Cyclone

Vitesse des vents

Dépression tropicale

De 37 à 64 km/h

Tempête tropicale

De 65 à 117 km/h

Ouragan

118 km/h et plus

• Des conditions atmosphériques propices à la formation d’un orage. • Une température de l’eau de l’océan d’au moins 26 °C à une profondeur de 60 m, qui constitue la source d’énergie de l’ouragan. • La présence d’une forte dépression tropicale. Lorsque ces trois conditions sont réunies, c’est la vitesse des vents qui détermine s’il s’agit d’une dépression tropicale, d’une tempête tropicale ou d’un ouragan (voir le tableau 3).

Des « chasseurs d’ouragans » Pour obtenir de précieuses données météorologiques qui permettent de prévoir la trajectoire des ouragans, des avions de reconnaissance, qu’on appelle « chasseurs d’ouragans », sont envoyés régulièrement au cœur des cyclones. Ce sont des aviateurs chevronnés qui effectuent ces missions à bord d’avions particulièrement résistants et bien équipés. Dans les zones les plus dangereuses, ce sont des petits avions téléguidés, appelés « aérosondes », qu’on envoie. Figure 37 Un avion téléguidé en mission.

258

Chapitre 2 Terre et espace

Le centre de la dépression est appelé « l’œil de l’ouragan ». La pression atmosphérique y est si basse que l’océan peut parfois être soulevé jusqu’à 6 m de hauteur. Cette montée d’eau, appelée « onde de tempête », inonde généralement les régions côtières où elle déferle (voir la figure 38). Système de haute pression (A)

Air qui tourbillonne dans l’œil de l’ouragan

Air sec qui descend dans l’œil de l’ouragan Air humide qui alimente les nuages

Spirales composées de pluie et de vent

De 10 à 15 km d’altitude

Basse pression (D)

500 400 300 200 100 Distance au centre (km)

150

100 50 40 20 Vitesse du vent (km/h)

Figure 38 La structure d’un ouragan (hémisphère Nord). L’œil de l’ouragan se trouve au centre de la dépression.

2.4.4

Les fronts et la formation des nuages

ST

STE

ATS

Les diverses masses d’air qui recouvrent la planète sont en contact les unes avec les autres. En raison de leur température différente, les masses d’air qui se rencontrent ne se mélangent pas facilement (tout comme l’huile et l’eau). Un front est la ligne de transition entre les masses d’air. Cette ligne de transition peut s’étendre sur des milliers de kilomètres et se déplacer à des vitesses variées. C’est le déplacement des fronts qui marque les changements des conditions météorologiques. Les types de fronts les plus communs sont les fronts froids et les fronts chauds. Les nuages se forment habituellement le long de ces fronts qui sont associés aux cyclones. Par exemple, lorsqu’un front froid soulève une masse d’air chaud, il y a parfois formation d’un immense nuage orageux : le cumulonimbus (voir la figure 39). Généralement, ce type de nuage se forme à l’avant d’un front froid lorsque de l’air chaud et humide est soulevé en altitude. En montant, l’air se refroidit et son humidité relative augmente jusqu’au point de rosée. À cette température, la vapeur d’eau se condense et devient un nuage. Lorsque les courants d’air ascendants sont très puissants, ils peuvent mener à la formation de grêlons.

Voir Les masses d’air, p. 247.

Cumulonimbus Fron

t fro

id

Masse d’air froid

Masse d’air chaud

Figure 39 La formation d’un cumulonimbus à l’avant d’un front froid.

Section 2 L’atmosphère

259

Des ouragans moins nombreux, mais de plus en plus puissants Selon des études scientifiques publiées en 2005, le réchauffement climatique pourrait favoriser le développement d’ouragans plus intenses et, par conséquent, plus dévastateurs. L’intensité Tableau 4 L’échelle Saffir-Simpson (les catégories d’intensité des ouragans est décrite à l’aide des ouragans) d’une échelle graduée de 1 à 5 Onde de tempête (voir le tableau 4). Cette échelle Catégorie Vitesse des vents (augmentation du fut proposée, en 1969, par niveau de la mer) Herbert Saffir (ingénieur civil) et 1 De 118 à 153 km/h De 1,2 à 1,8 m Bob Simpson (alors directeur du National Hurricane Center, aux 2 De 154 à 177 km/h De 1,8 à 2,7 m États-Unis). 3

De 178 à 209 km/h

De 2,7 à 4,0 m

4

De 210 à 249 km/h

De 4,0 à 5,5 m

5

Plus de 249 km/h

Plus de 5,5 m

Les ouragans et le prix du pétrole Dans le golfe du Mexique, au sud-est de l’Amérique du Nord, on compte un grand nombre de plateformes de forage destinées à l’extraction du pétrole et du gaz naturel. Les ouragans balaient fréquemment le golfe du Mexique. En plus des effets très dévastateurs qu’ils produisent localement, ils ont des répercussions à l’échelle de la planète. La destruction de ces plateformes influe sur le prix de vente du pétrole et des produits pétroliers.

Figure 40 L’inondation provoquée par l’onde de tempête de l’ouragan Katrina, en 2005.

260

Chapitre 2 Terre et espace

Ce fut le cas, par exemple, de Katrina, l’ouragan de catégorie 5 qui a dévasté les côtes de la Louisiane en août 2005 (voir la figure 40). La ville de La NouvelleOrléans a été inondée et des milliers de réfugiés ont été évacués. Les vents violents et les pluies torrentielles ont également endommagé les installations portuaires, les raffineries et les plateformes pétrolières. La réduction d’environ 25 % des capacités de raffinage des États-Unis a provoqué une pénurie importante de certains produits pétroliers en Amérique du Nord et a entraîné une flambée des prix du pétrole dans le monde.

CONCEPT

2.5 L’ozone

STE

L’ozone (O3) est un gaz dont les molécules sont constituées de trois atomes d’oxygène. L’ozone est une forme particulière d’oxygène (voir la figure 41). La molécule d’ozone (O3) contient un atome d’oxygène de plus que la molécule de dioxygène (O2), ce qui lui donne des propriétés distinctes. Ces propriétés peuvent être bénéfiques ou nuisibles à la vie selon l’altitude où le gaz s’accumule dans l’atmosphère. L’ozone est bénéfique lorsqu’il se trouve dans la stratosphère. Il est toxique lorsqu’il se trouve près du sol, dans les premiers mètres de la troposphère.

2.5.1

L’ozone stratosphérique

O O O Ozone (O3)

O

O

STE

L’ozone stratosphérique représente environ 90 % de tout l’ozone présent dans l’atmosphère. Il forme la couche d’ozone, qui protège la biosphère d’une partie du rayonnement ultraviolet (UV) provenant du Soleil. En absorbant ainsi l’énergie rayonnante du Soleil, l’ozone joue un rôle essentiel. Il empêche les rayons ultraviolets néfastes du Soleil d’atteindre la surface de la Terre.

Dioxygène (O2)

Figure 41 Les molécules d’ozone et de dioxygène.

L’action du rayonnement UV sépare l’ozone (O3) en dioxygène (O2) et en un atome d’oxygène (O). À la suite d’une séquence de transformations, l’ozone se forme de nouveau lorsque les molécules de dioxygène s’associent aux atomes d’oxygène (voir la figure 42). Ce processus de formation et de destruction de l’ozone, qu’on appelle le « cycle de l’ozone », atteint un équilibre naturel qui limite la concentration de ce gaz dans la stratosphère à une toute petite fraction des gaz atmosphériques. Rayonnement ultraviolet (UV)

Atomes d’oxygène (O)

O

O Dioxygène (O2)

O

O O

A

Dioxygène (O2)

O

O

O

O

B

Atome d’oxygène (O)

Dioxygène (O2)

O

O O

Rayonnement ultraviolet (UV)

Ozone (O3)

O

O O

Figure 42 Le cycle de l’ozone.

O

C

A Dans l’atmosphère, le dioxygène absorbe l’énergie solaire. Chaque molécule se décompose en deux atomes d’oxygène. B Chaque atome d’oxygène se combine avec une molécule de dioxygène pour former de l’ozone. C L’ozone absorbe le rayonnement ultraviolet et se décompose de nouveau en dioxygène et en un atome d’oxygène, et le cycle se poursuit.

Section 2 L’atmosphère

261

2.5.2

STE

Depuis les années 1970, des analyses ont révélé que la couche d’ozone s’amincissait (voir la figure 43). Certains gaz, comme les chlorofluorocarbures (CFC) et autres composés halogénés provenant de l’activité humaine, détruisent l’ozone stratosphérique.

halogéné Composé qui * Composé contient un élément de la famille des

*

halogènes : fluor (F), chlore (Cl), brome (Br), iode (I) et astate (At).

1981

Le « trou » dans la couche d’ozone

1987

1993

1999

2003

Figure 43 L’évolution de la couche d’ozone au-dessus de l’Antarctique. (Le « trou » qui s’est formé est représenté par la région de couleur violette.)

Ces gaz, particulièrement stables, se décomposent sous l’action des rayons ultraviolets pour produire des atomes de chlore (Cl). Les atomes de chlore réagissent ensuite avec l’ozone (O3) et le décomposent. Avec le temps, un seul atome de chlore peut détruire des dizaines de milliers de molécules d’ozone (voir la figure 44).

A Le rayonnement UV décompose la molécule de CFC. Un atome de chlore s’échappe. B L’atome de chlore rencontre une molécule d’ozone. C L’atome de chlore saisit un des atomes de l’ozone, ce qui produit du monoxyde de chlore et du dioxygène. D Le monoxyde de chlore rencontre un atome d’oxygène. E Le résultat est du dioxygène ; l’atome de chlore peut alors attaquer une autre molécule d’ozone.

Rayonnement ultraviolet (UV) Atome de chlore (Cl)

Cl

C

A Cl

O

Cl

Cl

F

Cl

Cl

O

C B

Cl

O

CFC (CFCl3)

Dioxygène (O2) Cl

O

O

O

Voir La synthèse, la décomposition et la précipitation, p. 104.

262

F

Ozone (O3)

Chapitre 2 Terre et espace

O E

Monoxyde de chlore (ClO)

Cl D

Cl

Dioxygène (O2) O

O

O

C

Figure 44 La décomposition de l’ozone stratosphérique sous l’action des CFC.

Ce processus s’estompe lorsque l’atome de chlore, qui s’est libéré à la suite de la décomposition de la molécule de CFC, réagit, dans l’atmosphère, avec un composé différent pour former une substance plus stable et moins dommageable.

2.5.3

L’ozone troposphérique

STE

L’ozone troposphérique est l’un des constituants du smog et participe à l’effet de serre renforcé. Cet ozone est essentiellement produit par les réactions entre le rayonnement solaire et des polluants chimiques tels que le monoxyde d’azote (NO) et le dioxyde d’azote (NO2). Ces polluants proviennent, en grande partie, de la combustion des énergies fossiles, des moteurs à explosion (voitures) et des centrales électriques thermiques (pétrole et charbon utilisés pour produire de l’électricité).

Voir L’effet de serre, p. 244.

Le smog Le terme « smog » est un mot-valise formé des mots anglais smoke (fumée) et fog (brouillard). Son équivalent français est « fumard ». Le smog est constitué d’un mélange complexe d’ozone et de particules fines qui viennent de divers polluants atmosphériques et de poussières émises par l’activité humaine. Ce mélange stagne dans la troposphère, au-dessus des grandes agglomérations urbaines. Sa composition varie selon les saisons. En été, l’intensité élevée du rayonnement solaire, en présence des oxydes d’azote (NOx) et des composés organiques volatils (COV ), favorise la production d’ozone. Un trafic routier dense et des conditions atmosphériques stables et ensoleillées facilitent sa formation. En hiver, les suies et les cendres émises par la combustion du bois de chauffage, du charbon, du pétrole et du gaz sont les principaux constituants du smog.

*

C’est une pollution très préoccupante dans les grandes villes du globe, qui sont aux prises avec des épisodes de smog de plus en plus fréquents. Les effets nocifs du smog sont à l’origine de nombreux troubles respiratoires et cardiovasculaires chez les personnes qui y sont exposées. Le smog entraîne une augmentation des hospitalisations et des mortalités prématurées. Sous l’effet des vents dominants, le smog peut se déplacer sur de grandes distances, à des milliers de kilomètres de ses sources, et affecter des régions rurales et des écosystèmes.

Les composés organiques vola* COV tils sont des hydrocarbures (composés formés de carbone et d’hydrogène) contenus dans des substances volatiles comme les solvants, les agents de nettoyage, etc.

Le masque antismog Certaines mégalopoles, comme Mexico - o- (Japon) et Shanghai (Chine), (Mexique), Toky ont des épisodes de smog si fréquents que les piétons doivent se protéger de cette pollution en portant des masques. Trois villes allemandes, dont Berlin, ont décidé d’implanter un système de vignette de couleur pour désigner les véhicules selon leur intensité de pollution. Lors de certains épisodes de smog intenses, seules les voitures arborant les vignettes de couleur verte (véhicules les plus propres) sont autorisées à circuler au centre-ville.

- o. Figure 45 La pollution à Toky

Section 2 L’atmosphère

263

CONCEPT

2.6 La contamination atmosphérique

STE

SE

La contamination atmosphérique est la modification de la composition de l’atmosphère par diverses substances qui proviennent de sources naturelles ou qui sont issues de l’activité humaine.

Particules d’eau de mer * Embruns formées par les vagues qui se brisent et emportées par le vent.

L’atmosphère contient de nombreuses poussières ainsi que des particules solides et liquides en suspension (les aérosols) qui émanent de diverses sources : marines (embruns ), minérales (sable), volcaniques (cendres), biologiques (bactéries, pollens) et même météoriques (poussières de météorites). Ces fines particules jouent un rôle important, car elles sont des noyaux de condensation qui favorisent la formation des nuages.

*

Les produits de l’activité humaine, surtout depuis l’essor de l’ère industrielle, renvoient dans l’atmosphère de grandes quantités de particules, de gaz et de substances chimiques diverses dont certaines n’existent pas à l’état naturel. En fait, ce sont des centaines de substances qui se trouvent ainsi projetées dans l’atmosphère et qui en modifient la composition chimique et les propriétés naturelles.

2.6.1

Les principaux polluants atmosphériques

STE

SE

Les polluants atmosphériques peuvent être classés de diverses façons. L’une d’elles consiste à les grouper en polluants primaires et en polluants secondaires. Les polluants primaires sont émis directement par des activités humaines comme la production d’électricité tirée de combustibles fossiles (centrales thermiques), le transport, le chauffage et les procédés industriels (voir la figure 46). L’inventaire des polluants primaires permet de distinguer cinq principaux contaminants (voir le tableau 5) : les particules en suspension, le dioxyde de soufre (SO2), le monoxyde de carbone (CO), les oxydes d’azote (NOx) et les composés organiques volatils (COV). Figure 46 Les deux cheminées de droite (centrale thermique) projettent des polluants primaires dans l’atmosphère. Les trois cheminées de gauche (centrale nucléaire) rejettent de la vapeur d’eau.

Tableau 5 Les polluants primaires et leurs principales sources Polluants primaires

Principales sources

Particules en suspension

Activités industrielles

Dioxyde de soufre (SO2)

Centrales thermiques (charbon, pétrole et gaz naturel), industries métallurgiques, industries des pâtes et papiers, transport routier

Monoxyde de carbone (CO)

Transport routier

Oxydes d’azote (NOx)

Centrales thermiques, transport routier, agriculture

Composés organiques volatils (COV)

Produits dérivés du pétrole (hydrocarbures) : solvants, produits nettoyants, etc.

Les polluants secondaires sont issus de la transformation chimique des polluants primaires dans l’atmosphère. L’un des principaux polluants secondaires est l’ozone troposphérique, responsable du smog.

264

Chapitre 2 Terre et espace

Au Québec et au Canada, c’est le transport qui constitue la principale source de polluants atmosphériques primaires. Aux États-Unis et en Chine, c’est la production d’électricité dans les centrales thermiques au charbon qui en est la principale source.

2.6.2

Les effets des polluants primaires

STE

SE

La contamination atmosphérique causée par les polluants primaires a des effets multiples sur la santé humaine et sur l’environnement (voir le tableau 6). Qu’elle soit issue de fortes concentrations ou de faibles concentrations de polluants, la contamination atmosphérique a des répercussions à court et à long terme. En effet, une exposition prolongée à de faibles concentrations de certains polluants peut accroître les risques de maladie. L’inhalation de polluants atmosphériques est à l’origine de nombreuses maladies respiratoires telles que l’asthme, l’emphysème, la bronchite chronique, les sinusites et les allergies. En détériorant les tissus pulmonaires, les fines particules atmosphériques augmentent également les risques de cancer des poumons. Puisqu’ils agissent sur les eaux, les sols, la végétation et les animaux, les polluants atmosphériques perturbent le fonctionnement des écosystèmes. Tableau 6 Quelques effets des polluants primaires Polluants primaires

Effets sur la santé humaine

Effets sur l’environnement

Particules en suspension

Altèrent les fonctions pulmonaires chez les personnes sensibles (enfants, asthmatiques, personnes âgées). Peuvent véhiculer des composés toxiques.

Entravent la respiration des végétaux (dépôts de poussières).

Dioxyde de soufre (SO2)

Cause de l’irritation chez les personnes sensibles (enfants, asthmatiques, personnes âgées).

Contribue aux pluies acides.

Monoxyde de carbone (CO)

Empêche l’oxygénation.

Participe à la formation de l’ozone troposphérique.

Oxydes d’azote (NOX) Peuvent provoquer des troubles respiratoires.

Contribuent aux pluies acides.

Composés organiques volatils (COV)

Participent à l’effet de serre renforcé et à la formation de l’ozone troposphérique.

Ont des effets variables : cancérogènes, mutagènes .

*

Se dit de tout agent * Mutagène physique ou chimique capable de provoquer une mutation.

L’échangeur d’air À l’intérieur des habitations et des lieux de travail, l’air peut être contaminé par divers produits chimiques, moisissures ou fumées. Pour améliorer la qualité générale de l’air des bâtiments très hermétiques, on y installe un système de ventilation appelé « échangeur d’air ». Par souci d’économie d’énergie, de tels systèmes sont équipés d’un disposiRécupération et transfert de chaleur tif de récupération de la chaleur. L’air frais de l’extérieur est L’échangeur d’air permet d’assurer distribué dans Entrée à la fois l’entrée d’air frais extérieur toute l’habitation d’air frais et l’expulsion de l’air intérieur vicié, EXTÉRIEUR INTÉRIEUR Aspiration tout en récupérant sa chaleur. Ces L’air vicié de l’air vicié est expulsé appareils sont également munis d’un filtre qui capte les fines pousFiltre sières atmosphériques, améliorant Figure 47 Le principe de fonctionnement d’un échangeur d’air. ainsi la qualité de l’air intérieur. Section 2 L’atmosphère

265

Les pluies acides Voir L’échelle pH, p. 82.

Voir La neutralisation acidobasique, p. 102.

REPÈRE

LE PROTOCOLE DE MONTRÉAL Vers la fin des années 1970, la découverte du « trou d’ozone » audessus de l’Antarctique a été l’une des premières manifestations spectaculaires de l’influence néfaste de l’activité humaine sur l’environnement de la planète.

Les pluies acides désignent toutes les précipitations (pluie, neige, brouillard, etc.) dont le pH est inférieur à 5,6. Elles sont principalement dues aux émissions de dioxyde de soufre (SO2) et d’oxydes d’azote (NOx) qui proviennent des centrales thermiques et des industries. Les pluies acides affectent non seulement la qualité des sols et des eaux, l’ensemble des écosystèmes aquatiques et forestiers, mais aussi la santé humaine. L’acidification des sols et des eaux (lacs et rivières) entraîne la détérioration de diverses espèces végétales, la disparition du plancton et de nombreuses espèces d’invertébrés, de batraciens et de poissons. Au Canada et en Scandinavie, des forêts et des lacs ont vu leur faune et leur flore dépérir en raison des pluies acides. L’acidification de l’eau a également des effets sur la qualité de l’eau potable. Si les eaux ne sont pas traitées par neutralisation des acides, leur consommation peut être nocive pour la santé. Malgré des efforts importants de réduction des émissions de soufre en Amérique du Nord et en Europe, les pluies acides suscitent toujours des inquiétudes. Par exemple, la contamination atmosphérique qui provient de l’extraction des sables bitumineux dans l’Ouest canadien (Alberta) ainsi que des productions pétrolière et gazière dans les provinces maritimes met désormais en péril les forêts de l’est de l’Amérique du Nord.

La mobilisation de la communauté scientifique, de l’opinion publique et des pouvoirs politiques a conduit, en 1987, à la signature d’un premier accord international, le protocole de Montréal. Cet accord réglementait l’utilisation des chlorofluorocarbures (CFC) et de toutes les substances qui détruisent la couche d’ozone. Même s’il subsiste, encore de nos jours, un commerce illégal de CFC et que certains pays signataires du protocole continuent d’en utiliser, le protocole de Montréal aura permis de réduire considérablement la concentration de ces substances dans l’atmosphère.

266

Chapitre 2 Terre et espace

Figure 48 Une forêt se regénère lentement après avoir été affectée par les pluies acides.

L’agriculture, source de pollution atmosphérique

*

L’agriculture intensive représente une source importante de pollution atmosphérique. D’une part, l’utilisation d’engrais azotés pour fertiliser les sols entraîne le rejet de quantités importantes d’ammoniac (NH3) dans l’atmosphère. D’autre part, l’élevage du bétail est responsable, par l’intermédiaire des déjections animales, de près de 40 % des émissions d’ammoniac issues de l’activité humaine. En raison de l’intensification de ce type d’agriculture, les émissions d’ammoniac pourraient s’accroître au cours des prochaines années et devenir l’une des principales causes de la dégradation de la qualité de l’air, des eaux et des sols. La situation est d’autant plus préoccupante que les élevages intensifs de bétail sont également des sources importantes de méthane (CH4), un gaz à effet de serre (GES) que les ruminants rejettent, pendant la digestion, sous forme de gaz intestinaux. Le bétail produit, en effet, près du tiers des émissions de méthane liées à l’activité humaine.

intensive Système de * Agriculture production agricole caractérisé par l’usage important d’engrais chimiques et de pesticides pour accroître la productivité des récoltes.

Voir L’effet de serre, p. 243.

De plus, le fumier est à l’origine d’émissions d’oxyde de diazote (N2O), qui est, tout comme le méthane, un GES dont le potentiel de réchauffement climatique est beaucoup plus élevé que celui du dioxyde de carbone (CO2).

Figure 49 L’épandage de pesticides libère des polluants dans l’atmosphère et dans le sol.

La consommation de viande et la contamination atmosphérique Les populations riches des pays industrialisés consomment de plus en plus de viande. On estime que la production de viande pourrait plus que doubler d’ici 2050 et entraîner un accroissement considérable de la contamination atmosphérique. Selon l’Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture (FAO), les effets néfastes d’une telle production sur l’atmosphère terrestre pourraient être atténués si les consommateurs des pays riches mangeaient moins de viande. Une personne vivant en Amérique du Nord consomme en moyenne 213 kg de viande par an, soit près de 25 fois plus qu’une personne qui vit en Inde.

Figure 50 Du bétail, dans des enclos.

Section 2 L’atmosphère

267

CONCEPT

2.7 Les ressources énergétiques de l’atmosphère ST STE ATS

Les ressources énergétiques de l’atmosphère sont l’énergie éolienne, qui peut être transformée en énergie mécanique ou électrique, et l’énergie thermique contenue dans l’atmosphère. Les ressources énergétiques de l’atmosphère dérivent de l’énergie rayonnante du Soleil, comme c’est le cas de la presque totalité des énergies disponibles sur la Terre. En réchauffant l’air de l’atmosphère, le rayonnement solaire génère de grands courants de convection qui sont à l’origine du vent, donc de l’énergie éolienne. De plus, l’énergie solaire réchauffe continuellement l’air, de sorte que l’énergie thermique disponible peut être utilisée pour chauffer ou climatiser l’intérieur des habitations.

2.7.1 cinétique Énergie qu’un * Énergie corps acquiert par son mouvement.

L’énergie éolienne

ST

STE

ATS

*

L’énergie éolienne est l’énergie cinétique produite par le déplacement des vents. Son nom vient d’Éole, le dieu des Vents dans la Grèce antique. L’utilisation du vent comme force motrice est très ancienne. La navigation à voile date probablement d’avant l’Antiquité. Elle a tenu une place fondamentale dans le développement du transport, du commerce et des échanges culturels, et ce, même après l’apparition du bateau à vapeur au début du 19e siècle. Vers l’an 600, les Perses construisent les premiers moulins à vent pour irriguer les champs. Ce n’est qu’au 12e siècle que l’utilisation des moulins à vent se généralise en Europe. Les pales des moulins à vent activent alors des roues à aubes qui permettent soit de moudre des grains pour produire de la farine ou de l’huile, soit de pomper de l’eau pour irriguer des champs ou assécher des marais. Au début du 20e siècle, plusieurs milliers de petites éoliennes individuelles sont utilisées en Amérique du Nord pour pomper de l’eau et produire de l’électricité. De nos jours, l’énergie éolienne est essentiellement utilisée pour produire de l’électricité au moyen d’éoliennes modernes et aérodynamiques (voir la figure 51).

Figure 51 Un parc éolien.

268

Chapitre 2 Terre et espace

La quantité d’énergie qui peut être produite par les éoliennes dépend essentiellement de la vitesse du vent. Des vents supérieurs à 20 km/h suffisent généralement pour produire efficacement et de façon rentable de l’électricité. Ce sont le relief, la pression atmosphérique et l’altitude qui influent sur la vitesse du vent. C’est pourquoi les hélices des éoliennes sont le plus souvent placées au sommet d’un mât gigantesque lorsque le relief est accidenté. Afin de capter les vents les plus forts, les éoliennes sont habituellement installées en hauteur, sur les crêtes des collines ou dans des régions où le relief ne fait pas obstacle aux vents. En raison de l’absence d’obstacles, les étendues maritimes, au large des côtes, sont des endroits privilégiés où la capacité de production éolienne est très élevée.

Les composantes de deux types d’éoliennes Deux types d’éoliennes sont couramment utilisés pour produire de l’électricité. Chaque type comporte des avantages. L’éolienne à axe horizontal (EAH), avec ses pales installées au sommet d’un immense mât, profite des vents en hauteur. Mais, pour produire de l’électricité de façon efficace, elle doit être constamment orientée dans la direction du vent. L’éolienne à axe vertical (EAV) n’a pas à être orientée dans la direction du vent. Toutefois, comme ses pales sont plus près du sol, elle ne profite pas toujours de vents constants. Une éolienne comprend trois composantes de base : 1) Le rotor, constitué d’une hélice et monté sur une tour, convertit l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique sur un arbre de transmission. 2) Une boîte de transmission permet de réguler la vitesse de l’arbre du rotor. 3) Une génératrice, couplée au rotor, transforme l’énergie mécanique de l’arbre de transmission en électricité.

Rotor Boîte de transmission Diamètre du rotor

Diamètre du rotor

Génératrice

Arbre Tour

Rotor Tour Arbre

Génératrice

Boîte de transmission Éolienne à axe horizontal (EAH)

Éolienne à axe vertical (EAV)

Figure 52 Des schémas des principales parties de deux types d’éoliennes.

Section 2 L’atmosphère

269

2.7.2

L’énergie thermique de l’air

ST

STE

ATS

L’air est une réserve d’énergie thermique abondante parce que c’est une énergie constamment renouvelée. Il est possible de récupérer cette énergie au moyen d’une thermopompe et de chauffer ou de climatiser l’intérieur des habitations. Cependant, pour qu’un tel système soit fonctionnel, l’air doit contenir suffisamment d’énergie thermique. Le coefficient de performance (COP) permet de déterminer à quelle température l’air contient suffisamment d’énergie pour qu’il soit avantageux d’utiliser une thermopompe (voir la figure 53).

Coefficient de performance (COP)

3,5 À 10 °C, le COP est de 3.

3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 –23

–18

–12

–7

–1

4

10

16

Température de l’air extérieur (°C)

Figure 53 Le coefficient de performance (COP) d’une thermopompe en fonction de la température extérieure.

Quand l’air extérieur est à une température de 10 °C, le coefficient de performance est de 3. Cela signifie que 3 kWh d’énergie sont puisés dans l’air extérieur pour chaque kilowattheure d’électricité consommé par la thermopompe. Le COP décroît au fur et à mesure que la température extérieure diminue. Lorsque celleci atteint environ 20 °C, il n’est plus avantageux d’utiliser la thermopompe.

Le mont Washington Le mont Washington, dans le New Hampshire (É.-U.), est non seulement l’un des plus hauts sommets des Appalaches (1 917 m), mais il est également l’un des endroits réputés les plus venteux de la planète. Des vents de plus de 120 km/h y soufflent pendant près du tiers de l’année. Un record de vitesse de 372 km/h y a même été enregistré en avril 1934. La violence des vents entraîne des conditions climatiques extrêmement rigoureuses avec, en hiver, des températures polaires proches de celles observées en Antarctique.

270

Chapitre 2 Terre et espace

Figure 54 L’observatoire du mont Washington après une forte tempête de neige.

L’énergie éolienne, une ressource énergétique renouvelable et non polluante L’énergie éolienne est actuellement utilisée comme source d’énergie dans une cinquantaine de pays. Les principaux producteurs d’énergie éolienne sont l’Allemagne, l’Espagne et les États-Unis (voir la figure 55). Italie (2,4 %) Pays-Bas (2,1 %) Reste du monde (16,6 %)

Royaume-Uni (3 %) Inde (6,5 %)

Danemark (6,7 %) Allemagne (26,9 %)

États-Unis (14,8 %)

Espagne (21 %)

Figure 55 Les principaux pays producteurs d’énergie éolienne en 2005.

L’énergie éolienne ne consomme pas de carburants fossiles et ne produit ni de gaz à effet de serre (GES), ou autres polluants atmosphériques, ni de déchets toxiques. Chaque mégawattheure d’électricité d’origine éolienne permet d’éviter l’émission de près d’une tonne de dioxyde de carbone (CO2) par les centrales thermiques alimentées au charbon.

*

Toutefois, l’énergie éolienne présente certains inconvénients, puisqu’elle est soumise aux conditions météorologiques. D’abord, en raison de la nature variable et imprévisible des vents, l’énergie éolienne ne peut que très rarement être utilisée comme unique source d’énergie. Pour répondre aux besoins constants en électricité, il est souvent nécessaire de la combiner avec d’autres sources d’énergie, que ce soit l’énergie solaire ou hydraulique. Ensuite, les fortes rafales de vent ou la glace peuvent endommager les éoliennes et diminuer leur capacité de production. Pour éviter de perturber les oiseaux migrateurs et les chauves-souris, les grands parcs éoliens ne sont généralement pas installés dans les couloirs de migration ou près des sites de nidification. Enfin, les principales nuisances des éoliennes sont le bruit qu’elles génèrent et l’allure qu’elles donnent aux paysages.

Un mégawattheure * Mégawattheure (MWh) correspond à la consommation d’électricité pendant une heure de 10 000 ampoules de 100 W.

Figure 56 Une personne ajuste l’anémomètre (instrument de mesure de la vitesse du vent) d’une éolienne.

Section 2 L’atmosphère

271

Pour faire le point L’effet de serre

ST

STE

SE

SECTION

(pages 243 à 245)

1. a) Qu’est-ce que l’effet de serre ? b) Quels sont les gaz à effet de serre (GES) naturellement présents dans l’atmosphère ? 2. a) Quelle est la différence entre l’effet de serre naturel et l’effet de serre renforcé ? b) Quels types d’énergie provoquent une augmentation importante des gaz à effet de serre ? 3. Qu’est-ce que le potentiel de réchauffement climatique d’un gaz à effet de serre? Donnez un exemple.

Les masses d’air

ST

STE

ATS

(pages 246 à 248)

4. Comment une masse d’air acquiert-elle ses principales caractéristiques ? 5. Quels sont les noms et les caractéristiques des principales masses d’air qui se forment au-dessus de l’Amérique du Nord ?

2

L’atmosphère

13. Dans l’hémisphère Nord, comment se déplace l’air d’un cyclone et d’un anticyclone ? 14. Quelles sont les conditions météorologiques généralement associées aux anticyclones et aux dépressions ? 15. a) Pourquoi les ouragans se forment-ils exclusivement au-dessus des mers tropicales ? b) Expliquez ce qu’est l’onde de tempête associée aux ouragans. 16. a) Qu’est-ce qu’un front ? b) À quel genre de système un front est-il associé ?

L’ozone

STE

(pages 261 à 263)

17. Décrivez les grandes étapes du cycle de l’ozone.

6. Si l’air a une humidité relative de 90 %, qu’est-ce que cela signifie ?

18. Quelle est la différence entre l’ozone stratosphérique et l’ozone troposphérique ?

7. a) Qu’est-ce que le point de rosée ? b) Que se passe-t-il si l’air, qui est à une humidité relative de 100 %, se refroidit ?

19. Pourquoi la décomposition des chlorofluorocarbures (CFC) détruit-elle l’ozone stratosphérique?

La circulation atmosphérique

La contamination atmosphérique ST

STE

SE

(pages 249 à 255) 8. Expliquez ce qu’est le phénomène de convection. 9. a) Qu’est-ce qu’un courant de convection ? b) Nommez les courants de convection qui régissent la circulation atmosphérique. c) Comment la force de Coriolis agit-elle sur la circulation atmosphérique en Amérique du Nord ? STE

SE

10. Qu’est-ce qu’un vent dominant ?

11. Qu’est-ce qu’un courant-jet ?

Les cyclones et les anticyclones ST

STE

ATS

(pages 256 à 260)

12. a) Qu’est-ce que la pression atmosphérique ? b) Pourquoi la pression atmosphérique est-elle plus faible en haute altitude ? c) Qu’est-ce que la pression atmosphérique normale ?

272

Chapitre 2 Terre et espace

STE

SE

(pages 264 à 267) 20. Qu’est-ce qui distingue les polluants primaires des polluants secondaires ? 21. a) Quelles sont les principales sources de polluants primaires ? b) Donnez deux exemples d’effets des polluants primaires sur la santé humaine et sur l’environnement.

Les ressources énergétiques de l’atmosphère ST

STE

ATS

(pages 268 à 271)

22. Nommez deux ressources énergétiques de l’atmosphère. 23. Décrivez les caractéristiques qui déterminent les sites où sont habituellement installées les éoliennes. 24. Quel système est communément utilisé pour récupérer l’énergie thermique de l’air ?

SECTION

L’effet de serre

ST

STE

2

L’atmosphère

SE

Processus naturel qui assure le réchauffement de l’atmosphère. • Les gaz à effet de serre (GES) empêchent l’énergie absorbée par la surface de la Terre d’être renvoyée en totalité vers l’espace : – les GES sont la vapeur d’eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et l’oxyde de diazote (N2O) ; – les GES existent à l’état naturel dans l’atmosphère. • L’effet de serre renforcé est le réchauffement de l’atmosphère dû à la présence d’un surplus de GES issu de l’activité humaine.

Les masses d’air

ST

STE

ATS

Parties de l’atmosphère qui sont de température et d’humidité relativement constantes. • On classe les masses d’air selon leur humidité (air sec ou humide) et selon leur température moyenne (air très froid, froid ou chaud). • En Amérique du Nord, on trouve quatre types de masses d’air : – la masse d’air continental arctique (cA, air sec et très froid) ; – la masse d’air maritime arctique (mA, air humide et très froid) ; – la masse d’air maritime polaire (mP, air humide et froid) ; – la masse d’air maritime tropical (mT, air humide et chaud). • L’humidité relative (HR) est le pourcentage de la quantité maximale de vapeur d’eau que l’air peut contenir à une température donnée : – une humidité relative de 100 % correspond au maximum de vapeur d’eau qui peut être absorbé par l’air à une température donnée ; ce taux d’humidité de 100 % correspond au point de rosée.

La circulation atmosphérique

ST

STE

SE

Mouvement et déplacement de l’air à l’échelle de la planète. • La circulation atmosphérique correspond à l’action combinée : – des courants de convection, qui forment six grandes boucles ceinturant la Terre, du nord au sud ; – de la force de Coriolis, qui fait dévier la trajectoire de l’air en mouvement sur la Terre, soit vers l’est ou vers l’ouest selon la latitude. STE

SE

• Les vents dominants sont de grands couloirs de vents dont la direction est déterminée par les courants de convection et la force de Coriolis.

• Les courants-jets sont des vents très rapides (de 100 à 360 km/h) qui se déplacent à haute altitude, à la jonction des masses d’air. Ils contribuent aux conditions de beau temps et de mauvais temps.

Section 2 L’atmosphère

273

Les cyclones et les anticyclones

ST

STE

ATS

Systèmes de basse pression et de haute pression qui déterminent les conditions météorologiques. • La pression atmosphérique est la force exercée par le poids de l’atmosphère sur la surface de la Terre. • Dans un anticyclone, l’air froid en altitude descend vers la surface de la Terre, créant ainsi une zone de haute pression. • Dans un cyclone, l’air chaud de surface s’élève en créant une zone de basse pression. L’ouragan est la forme la plus imposante que peut prendre un cyclone. Il se développe dans la zone intertropicale. • Un front est la ligne de transition entre deux masses d’air. Les types de fronts les plus communs sont les fronts froids et les fronts chauds.

L’ozone

STE

Gaz formé de molécules d’ozone (O3). • L’ozone stratosphérique forme la couche d’ozone : – l’ozone empêche les rayons ultraviolets du Soleil d’atteindre la surface de la Terre ; – les chlorofluocarbures (CFC) détruisent l’ozone stratosphérique. • L’ozone troposphérique est produit par des transformations chimiques entre différents polluants atmosphériques issus de l’activité humaine. C’est l’un des constituants du smog.

La contamination atmosphérique

STE

SE

Modification de la composition de l’atmosphère par diverses substances d’origine naturelle ou issues de l’activité humaine. • La contamination atmosphérique est causée par des polluants : – primaires, qui sont rejetés directement dans l’atmosphère (par exemple, la production d’électricité tirée de combustibles fossiles, le chauffage et le transport) ; – secondaires, qui résultent de la transformation chimique des polluants primaires.

Les ressources énergétiques de l’atmosphère

ST

STE

ATS

Énergie éolienne créée par les vents et énergie thermique contenue dans l’atmosphère. • Les ressources énergétiques de l’atmosphère sont exploitées sous forme : – d’énergie éolienne pour produire de l’électricité ; – d’énergie thermique pour chauffer ou climatiser l’intérieur des habitations.

274

Chapitre 2 Terre et espace

SECTION

P

lus de 70 % de la surface terrestre est recouverte par les mers, les océans, les lacs et les cours d’eau. Vue de l’espace, cette abondance d’eau a valu à la Terre le surnom de « planète bleue ». La Terre est la seule planète, connue à ce jour, où l’on trouve de l’eau à l’état liquide. Comme la Terre est à une distance optimale du Soleil, elle bénéficie de températures qui permettent la présence d’eau non seulement à l’état solide et à l’état gazeux, mais aussi à l’état liquide, un phénomène qui a favorisé le développement de la vie sur Terre. Grâce aux conditions climatiques qui règnent sur la planète, on trouve de l’eau sous forme de vapeur d’eau, notamment dans l’atmosphère, mais aussi sous forme de cristaux de glace dans les glaciers, la banquise et la neige et, finalement, sous forme liquide dans les océans, les lacs, les cours d’eau, les nappes d’eau souterraine et les gouttes de pluie. L’ensemble de l’eau de la planète, que celle-ci soit à l’état liquide, solide ou gazeux, se nomme « l’hydrosphère ». Dans cette section, vous découvrirez les différentes caractéristiques de l’hydrosphère de façon à mieux comprendre, par exemple, l’effet de la circulation océanique sur le climat de la Terre.

3

L’hydrosphère

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Les bassins versants . . . . . . . . . . . . . . 276 ST

STE

ATS

La salinité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 ST

STE

La circulation océanique . . . . . . . . . 284 ST

STE

Les glaciers et la banquise . . . . . . . 288 ST

STE

La contamination de l’hydrosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 STE

SE

3.6

L’eutrophisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

3.7

Les ressources énergétiques de l’hydrosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298

STE

ST

SE

STE

ATS

275

CONCEPT

3.1 Les bassins versants

ST

STE

ATS

Un bassin versant, aussi appelé « bassin hydrographique », est une portion de territoire qui draine toutes les précipitations reçues vers un même endroit. Dans un bassin versant, l’eau s’écoule du point le plus haut vers le point le plus bas, sous l’action de la gravité. La frontière entre deux bassins versants se situe sur une ligne de crête qui épouse le relief en suivant les crêtes des collines et des montagnes. La ligne de crête, également appelée « ligne de partage des eaux », oriente la direction de l’écoulement des eaux de ruissellement et des eaux souterraines. Les précipitations sont dirigées vers différents bassins versants selon qu’elles tombent d’un côté ou de l’autre de la ligne de crête (voir la figure 57). Ligne de crête entre deux bassins versants

Les affluents (rivières et ruisseaux), grossis par la pluie, rejoignent le fleuve.

Fleuve

Écoulement des eaux de ruissellement

Écoulement des eaux souterraines

Océan

Figure 57 Les lignes de crête forment les frontières naturelles des bassins versants.

3.1.1

L’échelle des bassins versants

ST

STE

ATS

Les bassins versants sont responsables de la circulation des eaux de surface et des eaux souterraines. Les eaux de pluie ou de fonte des neiges s’écoulent, en surface, le long des pentes vers les lacs et les cours d’eau. Elles peuvent également s’infiltrer dans la croûte terrestre pour former des nappes d’eau et des rivières souterraines. Les eaux des rivières et des lacs coulent en suivant le relief, d’amont en aval, pour alimenter d’autres rivières plus grandes. Ces dernières se rejoignent ensuite pour former un fleuve. Finalement, le fleuve reçoit toutes les eaux de ses affluents (rivières et lacs) et les transporte jusqu’à la mer. Selon l’échelle à laquelle on les étudie, on distingue différents niveaux de bassins versants qui « s’imbriquent » les uns dans les autres. • À l’échelle planétaire, les bassins versants océaniques recueillent l’eau de tous les fleuves qui se jettent dans un même océan. • À l’échelle continentale, les bassins versants fluviaux correspondent aux réseaux hydrographiques des fleuves. • À l’échelle régionale, les bassins versants fluviaux se décomposent, à leur tour, en plusieurs bassins versants secondaires. Ces derniers sont de plus petite taille et correspondent aux différents affluents (rivières et lacs) situés en amont. Ces bassins versants secondaires peuvent, eux aussi, être divisés

276

Chapitre 2 Terre et espace

en bassins versants locaux, qui sont de plus petite superficie et qui correspondent à chaque affluent d’une rivière. Ainsi, chaque bassin versant de plus petite échelle est un sous-bassin d’un plus grand ensemble hydrographique. Par exemple, le bassin versant de la rivière Jacques-Cartier est un sous-bassin du bassin versant du fleuve SaintLaurent, qui est lui-même un sous-bassin du bassin versant de l’océan Atlantique (voir la figure 58). Mer du Labrador

Baie d’Hudson

Bassin versant océanique (bassin de l’océan Atlantique) Bassin versant fluvial (bassin du Saint-Laurent) Bassin versant secondaire (bassin de la rivière Jacques-Cartier)

Québec Ter r et-L e-Neu v abr ado er

Ontario

Lac Supérieur

Lac Michigan

Bassin versant local (sous-bassin de la rivière Launière) Ligne de crête

Île-duNouveau- PrinceBrunswick Édouard Lac Huron

Nouvelle-Écosse Lac Ontario

Lac Érié

OCÉAN ATLANTIQUE

États-Unis

Figure 58 L’échelle des bassins versants du nord-est de l’Amérique du Nord.

Rivière Launière

Les bassins versants océaniques du Canada ST STE ATS

3.1.2

Le Canada compte cinq principaux bassins versants océaniques (voir la figure 59, à la page 278). Ce sont les bassins versants de l’océan Pacifique, du golfe du Mexique, de l’océan Arctique, de la baie d’Hudson et de l’océan Atlantique. Le bassin versant de l’océan Pacifique est séparé des autres bassins versants par la ligne continentale de partage des eaux qui suit les crêtes des montagnes Rocheuses. Les eaux des régions situées à l’extrême sud de l’Alberta et de la Saskatchewan s’écoulent dans le bassin versant du golfe du Mexique, en passant par les fleuves Missouri et Mississippi. Les bassins versants de l’océan Arctique et de la baie d’Hudson couvrent un immense territoire. La ligne de crête, située entre les bassins versants de la baie d’Hudson et de l’océan Atlantique, divise le Québec en deux. Si une goutte de pluie tombe au nord de cette ligne, elle atteindra la baie James, la baie d’Hudson ou la baie d’Ungava. Si une

Rivière Jacques-Cartier

Fleuve Saint-Laurent

Section 3 L’hydrosphère

277

goutte de pluie tombe au sud, elle gagnera l’océan Atlantique. Le bassin versant de l’océan Atlantique est composé principalement des bassins du fleuve Saint-Laurent, qui draine les Grands Lacs, et du fleuve Churchill, au Labrador.

Bassins versants océaniques

OCÉAN ARCTIQUE

Océan Arctique Océan Atlantique Golfe du Mexique Baie d'Hudson Océan Pacifique

Baie d’Ungava

Ligne de crête

Fleuve Churchill

Baie d’Hudson

-La

ur

en

t

Baie James

Sa

int

OCÉAN PACIFIQUE

Fl.

OCÉAN ATLANTIQUE

is

M ss

si pi

ip

ouri

Miss

Grands Lacs

Figure 59 Les bassins versants océaniques du Canada.

3.1.3 Voir Les minéraux, p. 306. Voir La salinité, p. 281.

Les deltas et les estuaires

ST

STE

ATS

Tout le long d’un bassin versant, l’écoulement des eaux de surface érode la roche et dissout une partie de ses minéraux. La présence des minéraux donne une faible salinité aux cours d’eau. Les cours d’eau contiennent aussi des matériaux et des sédiments de diverses tailles (sable, limon, argile, gravier, galets, etc.) qu’ils charrient et déposent en aval. Lorsque les dépôts de sédiments sont suffisamment importants à l’embouchure d’un fleuve, ils divisent le cours d’eau en plusieurs branches et forment un delta (voir la figure 60). Sous l’action de l’érosion, de la sédimentation, des courants fluviaux et des courants marins, la géographie des deltas est en constante évolution. Certains fleuves, comme le fleuve SaintLaurent, rejoignent l’océan sans former de delta. Leur large embouchure se nomme un estuaire. Comme les marées y sont assez importantes, l’eau de mer remonte profondément dans l’estuaire, réduisant ainsi les dépôts de sédiments à l’embouchure du fleuve et empêchant la formation d’un delta.

Figure 60 Le delta du Mississippi, vu de l’espace.

278

Chapitre 2 Terre et espace

Les effets possibles du réchauffement climatique sur le bassin versant du Saint-Laurent Le fleuve Saint-Laurent constitue l’une des plus importantes voies de transport maritime en Amérique du Nord. Une série de barrages régule son débit de façon à maintenir le niveau d’eau pour permettre la navigation fluviale. Cependant, la navigation pourrait devenir plus difficile en raison du réchauffement climatique. Selon certains scénarios, la réduction de la couverture de neige et de glace des Grands Lacs, en amont du fleuve Saint-Laurent, pourrait entraîner une diminution de 25 à 40 % du débit du lac Ontario vers le fleuve Saint-Laurent. Ce phénomène découlerait principalement d’une plus forte évaporation des Grands Lacs, produite par une hausse des températures. À certains endroits du fleuve, de telles diminutions du débit pourraient causer des baisses de niveau d’eau d’environ un mètre. Celles-ci auraient des répercussions sur les écosystèmes aquatiques, sur l’approvisionnement en eau potable de certaines municipalités et sur le transport maritime.

La passe migratoire

Les dérivations de rivières L’étude du bassin versant des fleuves et des rivières est à la base des projets de construction de grands barrages pour la production d’électricité. Par exemple, dans les années 1970, dans le but de créer un immense réservoir d’eau et d’ériger des barrages dans le Nord-du-Québec, on a détourné une partie des rivières Caniapiscau, Opinaca et Eastmain de leur bassin versant naturel vers celui de La Grande Rivière, à la Baie-James (voir la figure 61). Cette dérivation a fait doubler le débit de La Grande Rivière. Avec la dérivation de ces eaux, le bassin versant du complexe hydroélectrique La Grande couvre une superficie totale d’environ 177 000 km 2, soit à peu près 12 % de la superficie du Québec. La surface totale de ses réservoirs s’élève à 11 974 km2. Pour aménager le complexe hydroélectrique La Grande, près de 9 900 km2 de tourbières et de forêts ont été inondés, des populations ont été déplacées et des écosystèmes ont été perturbés.

Lorsqu’on construit des barrages hydroélectriques, on compromet la survie d’espèces aquatiques. Pour que les saumons, par exemple, puissent rejoindre leur site de reproduction, des passes migratoires ont été aménagées à côté des barrages. Ces passes sont composées d’une série de petits bassins étagés, à la manière d’un escalier, qui permettent aux saumons de contourner ou de franchir l’obstacle qu’est le barrage.

Baie d’Hudson Riv. Caniapiscau

Réservoir La Grande-1 Réservoir La Grande-2 Baie James

La Grande Rivière

Réservoir La Grande-4 Réservoir La Grande-3

Riv. Opinaca in ma

ast

.E Riv

Figure 61 Le bassin du complexe hydroélectrique La Grande comprend le bassin versant de La Grande Rivière et la dérivation partielle des rivières Caniapiscau, Eastmain et Opinaca.

Figure 62 Une passe migratoire à côté d’un barrage hydroélectrique. Section 3 L’hydrosphère

279

L’eau de puits Au Canada, près de 9 millions de personnes dépendent de l’eau souterraine pour satisfaire leurs besoins domestiques, principalement dans les régions rurales. Pour atteindre la nappe d’eau souterraine, il faut creuser un puits dans le sol. Les eaux souterraines s’accumulent dans les couches de roches poreuses pendant des périodes plus ou moins longues, qui vont de quelques semaines à près de 10 000 ans (voir le tableau 7). Dans un bassin versant, la multiplication des puits ou leur utilisation excessive peut entraîner un prélèvement des eaux souterraines qui sera plus important que le renouvellement naturel de ces eaux par les précipitations. Dans ce cas, le niveau de la nappe d’eau souterraine s’abaisse et les puits finissent par s’assécher. Tableau 7 Le temps de séjour des réserves d’eau dans les différentes parties de l’hydrosphère Réserves d’eau

Temps de séjour (estimé)

Océans et mers

4 000 ans

Lacs et réservoirs

10 ans

Marais

De 1 à 10 ans

Canaux fluviaux

2 semaines

Humidité du sol

De 2 semaines à 1 an

Eau souterraine

De 2 semaines à 10 000 ans

Calottes glaciaires et glaciers

De 10 à 1 000 ans

Eau atmosphérique

10 jours

Eau contenue dans les êtres vivants

1 semaine

Les conséquences de la déforestation excessive sur le bassin versant

Figure 63 La déforestation entraîne une augmentation du ruissellement.

280

Chapitre 2 Terre et espace

La présence d’une végétation abondante sur un sol, par exemple une forêt, freine le ruissellement des eaux. En effet, les racines des arbres favorisent la stabilité et la porosité des sols. Le sol de la forêt filtre et retient une grande partie des eaux de pluie. Un défrichement intensif facilite l’écoulement de surface des eaux de précipitations. L’accroissement du ruissellement accélère, à son tour, l’érosion du sol et entraîne des sédiments supplémentaires dans les cours d’eau. Des boues peuvent alors provoquer l’envasement des cours d’eau, des glissements de terrain et des inondations. Entraînées par le ruissellement, diverses substances chimiques peuvent être libérées du sol et contaminer les rivières.

CONCEPT

3.2 La salinité

ST

STE

La salinité est la concentration de sels minéraux dissous dans l’eau. L’eau douce et l’eau salée contiennent de nombreux sels minéraux, présents en concentrations différentes. Ces sels proviennent essentiellement de l’érosion des roches de la lithosphère, produite par les eaux de ruissellement et les eaux souterraines. Tout le long de leur parcours, les sels sont entraînés par les eaux et ils s’accumulent dans les bassins versants. Les eaux douces continentales sont faiblement salées. Leur salinité est généralement inférieure à 1 g/L. L’eau de mer est beaucoup plus salée. Le chlorure de sodium (NaCl) est le sel le plus abondant qu’on trouve dans l’eau de mer (voir la figure 64). La salinité moyenne de l’eau des océans est d’environ 35 g/L. Elle varie selon les régions du globe et la profondeur des océans. Elle est en partie responsable de la circulation océanique. En raison des sels dissous dans les océans, l’eau de mer possède une masse volumique supérieure à celle de l’eau douce.

Eau 96,5 %

Sels 3,5 %

Voir Les bassins versants, p. 276.

Voir La circulation océanique, p. 284.

Composition ionique des sels Sodium (Na+) 30,6 % Chlorures (Cl–) 55 % Magnésium (Mg2+) 3,7 % Sulfates (SO42–) 7,7 % Calcium (Ca2+) 1,2 % Potassium (K+) 1,1 % Autres ions 0,7 %

Figure 64 La composition de l’eau de mer.

3.2.1

La salinité des océans

ST

STE

La salinité relativement élevée de l’eau de mer provient de deux sources. D’un côté, une grande partie des sels minéraux est déversée continuellement dans les océans par les bassins versants fluviaux. D’un autre côté, une partie de ces sels vient de l’activité volcanique et des sources hydrothermales sousmarines, situées à proximité des dorsales océaniques.

*

hydrothermale Remontée * Source d’eau chaude contenant des gaz dissous et des métaux.

La mer Morte La mer Morte est une étendue d’eau salée située au Proche-Orient, à la frontière entre Israël et la Jordanie, à plus de 400 m au-dessous du niveau moyen des océans. Comme la mer Morte ne se déverse dans aucun océan, qu’elle reçoit peu d’eau douce du Jourdain (les eaux du fleuve étant utilisées de façon intensive pour l’irrigation agricole) et qu’elle a un taux élevé d’évaporation, ses eaux sont fortement salées (à peu près 275 g/L). La salinité de la mer Morte est environ huit fois supérieure à celle des océans. La densité de ses eaux est si élevée qu’une personne peut y flotter facilement sans bouger.

Figure 65 Une personne peut flotter sans effort sur la mer Morte.

Section 3 L’hydrosphère

281

Les océans reçoivent donc constamment des sels dissous. Toutefois, leur concentration en sels demeure relativement stable. Cela s’explique par le fait qu’une part des sels est rejetée dans l’atmosphère sous forme d’embruns et qu’une autre part est déposée dans les fonds océaniques (voir la figure 66). C’est l’évaporation importante de l’eau de surface, dans certaines régions côtières, qui est responsable de ces dépôts dans les fonds marins. L’eau qui s’évapore laisse derrière elle les sels. Ceux-ci vont précipiter et être stockés dans les sédiments. Embruns Ruissellement Apport en sels provenant de sources hydrothermales Eau douce de faible salinité

Eau salée

Précipitation des sels et sédimentation

Figure 66 La quantité de sels qui se déversent dans les océans (ruissellement, volcanisme) est équivalente à la quantité de sels qui s’en échappent (sédimentation, embruns).

3.2.2

L’eau saumâtre

ST

STE

L’eau saumâtre est un mélange d’eau douce et d’eau salée dont la salinité est comprise entre 1 g/L et 10 g/L. On trouve des eaux saumâtres à l’embouchure des fleuves, dans les estuaires et les deltas. Par exemple, dans l’estuaire du Saint-Laurent, l’eau douce provenant du bassin versant des Grands Lacs se mélange doucement à l’eau salée du golfe du Saint-Laurent, qui remonte dans l’estuaire sous l’effet des marées. L’eau du fleuve devient ainsi de plus en plus salée à partir de l’île d’Orléans jusqu’au golfe du Saint-Laurent (voir la figure 67).

Eau douce (< 1 g/L) en ur

La nt-

Eau salée (> 10 g/L) Riviè

t

Pointe-des-Monts

Eau saumâtre (entre 1 et 10 g/L)

e

uv

re Sa

guen

Fle ay

Île d’Anticosti

i Sa

Gaspé

T.-N. Golfe du Saint-Laurent

(environ 34 g/L)

Matane

Tadoussac

Îles de la Madeleine

Rivière-du-Loup Baie-Saint-Paul Québec

Montmagny

Trois-Rivières Pointe-du-Lac

Montréal

N.-B.

États-Unis

Cornwall

Figure 67 La distribution de l’eau douce, saumâtre et salée dans le fleuve, l’estuaire et le golfe du Saint-Laurent.

282

Chapitre 2 Terre et espace

Î.-P.-É.

N.-É.

Des océans moins salés ? Le réchauffement climatique provoque, entre autres, la fonte des glaciers et des banquises à l’échelle de la planète. La fonte accélérée de ces importants « réservoirs » pourrait libérer de grandes quantités d’eau douce dans les océans et diminuer ainsi la salinité moyenne de l’eau de mer. Ce phénomène perturberait la circulation océanique générale et affecterait la capacité des océans de réguler la température globale de la Terre. La perturbation de la circulation océanique pourrait éventuellement entraîner une accélération des changements climatiques.

Voir La circulation océanique, p. 285.

Figure 68 La fonte d’un glacier, en Antarctique.

Le dessalement de l’eau de mer Les mers et les océans constituent d’énormes « réservoirs » d’eau, qui ne peuvent être utilisés par les populations comme eau potable. On ne peut non plus s’en servir pour irriguer les cultures ou abreuver le bétail. Dans de nombreuses régions arides qui bordent un océan, l’eau de mer est pourtant l’unique source d’eau. Divers procédés et traitements industriels ont été développés pour dessaler l’eau de mer et produire de l’eau potable. Mais l’utilisation de ces procédés est limitée, ceux-ci étant généralement coûteux et énergivores. En raison des phénomènes de désertification et de l’augmentation de la population mondiale, les techniques de désalinisation de l’eau de mer sont appelées à connaître des développements importants dans les prochaines décennies.

Figure 69 Une usine de désalinisation à Carboneras, en Andalousie (Espagne).

Section 3 L’hydrosphère

283

CONCEPT

3.3 La circulation océanique

ST

STE

La circulation océanique correspond au mouvement et au déplacement de l’eau, sous forme liquide, à l’échelle de la planète. En raison de ses propriétés physiques et chimiques, l’eau met plus de temps que l’air à se réchauffer et à se refroidir. Cette caractéristique permet aux océans d’emmagasiner beaucoup d’énergie solaire. Cette énergie est libérée lentement par les courants marins qui transfèrent vers les pôles l’énergie solaire emmagasinée dans les régions équatoriales. Comme les vents et la circulation atmosphérique, la circulation océanique répartit la chaleur issue de l’énergie solaire et régule les climats à la grandeur de la planète. Cette répartition de chaleur s’effectue par l’intermédiaire de deux types de courants marins : les courants de surface et les courants profonds.

3.3.1

Pôle Nord

Les courants de surface

STE

Les courants de surface sont de grands mouvements continus d’eau générés par les vents qui soufflent à la surface des océans. Les vents influent sur les courants de surface jusqu’à environ 100 m de profondeur. Tout comme les vents dominants, ces cou30° N rants sont soumis à la force de Coriolis, due à la rotation de la Terre, qui les fait dévier vers la droite dans l’hémisphère Nord et vers la gauche dans l’hémisphère Sud. Équateur Étroitement liée à la circulation atmosphérique, la circulation océanique des courants de surface est comparable à celle des vents dominants (voir la figure 70).

60° N Vents d’ouest

Alizés

30° S

Alizés

Vents d’ouest

ST

60° S

Pôle Sud

Les courants de surface sont aussi déviés de leur trajectoire par la présence des continents. Cinq grands tourbillons océaniques, engendrés par les vents et la force de Coriolis, orientent les courants de surface (voir la figure 71). Ces courants sont relativement chauds ou froids, selon l’insolation.

Figure 70 Le déplacement des courants de surface (flèches orangées) correspond à la direction des vents dominants (flèches violettes).

Voir Le flux d’énergie émis par le Soleil, p. 233.

TOURBILLON DU PACIFIQUE NORD

TOURBILLON DE L’ATLANTIQUE NORD

TOURBILLON DU PACIFIQUE SUD

TOURBILLON DE L’ATLANTIQUE SUD

TOURBILLON DE L’OCÉAN INDIEN

Courants chauds Courants froids

Figure 71 La direction des courants de surface. Les cinq tourbillons océaniques tournent, dans l’hémisphère Nord, dans le sens des aiguilles d’une montre et, dans l’hémisphère Sud, dans le sens contraire des aiguilles d’une montre.

284

Chapitre 2 Terre et espace

Les courants de surface qui tournent au sud du tourbillon de l’Atlantique Nord sont à l’origine du Gulf Stream (voir la figure 72), l’un des plus importants courants océaniques de la planète, qui se prolonge vers l’Europe où il porte le nom de « dérive nordatlantique ». Ce courant océanique transporte l’eau très chaude de la mer des Caraïbes et du golfe du Mexique, puis il monte vers le nord, longe la côte américaine avant de bifurquer vers l’est et de se diriger vers le nord de l’Europe. Grâce à ce courant chaud de surface, l’Europe du Nord connaît un climat plus doux que celui des régions de l’Amérique du Nord, pourtant situées à la même latitude.

3.3.2

Les courants de densité

ST

eam

f Str

Gul

STE

Les courants de densité (ou courants profonds) sont générés par des différences de température et de salinité de l’eau des océans. La circulation océanique de ces courants de densité se nomme la circulation thermohaline.

Figure 72 Le Gulf Stream (image satellite). Les températures les plus chaudes à la surface de l’eau vont du jaune à l’orangé, les plus froides, du bleu au violet et les températures intermédiaires sont en vert. Voir La salinité, p. 281.

Comme l’air, la masse volumique de l’eau varie selon la température. En se refroidissant, l’eau se contracte et son volume diminue. Ce faisant, la masse volumique de l’eau augmente et l’eau froide, plus lourde, « plonge » en profondeur. L’eau froide (environ 4 °C) des régions polaires est beaucoup plus dense que l’eau chaude de la zone intertropicale (environ 28 °C). En plus d’être froide, l’eau des régions polaires est plus salée. En effet, lorsque l’eau de mer gèle pour former les glaces de la banquise, elle libère les sels, ce qui augmente la salinité et, par conséquent, la masse volumique de l’eau de mer.

Voir Les glaciers et la banquise, p. 290.

Cette combinaison d’eau très froide et très salée fait en sorte que l’eau des régions polaires, comme celle du nord de l’océan Atlantique ou de la région de l’Antarctique, est très dense. Ainsi, l’eau froide et salée « plonge » rapidement vers le fond des océans où elle circule le long du plancher océanique (voir la figure 73).

Courant de surface

Glaces

L’eau plus dense « plonge ».

Eau moins dense

Eau profonde, froide et salée

Figure 73 Les courants de densité « plongent » sous la surface de l’eau et circulent dans les profondeurs des océans.

Section 3 L’hydrosphère

285

Voir La circulation atmosphérique, p. 249.

Il s’établit alors un phénomène de convection semblable à celui observé dans l’atmosphère. Les courants de densité se trouvent ainsi liés aux courants de surface. À l’échelle de la planète, l’eau froide et salée est transportée du fond de l’océan Atlantique jusqu’au fond des océans Indien et Pacifique, où elle remonte à la surface sous forme de courant chaud, puis « plonge » de nouveau dans l’Atlantique Nord pour recommencer le cycle (voir la figure 74). Ce transport de l’eau est également surnommé le « tapis roulant océanique ».

Courants chauds de surface Courants de densité, froids et salés

OCÉAN ATLANTIQUE

OCÉAN PACIFIQUE OCÉAN INDIEN

Figure 74 La circulation thermohaline. Les courants de densité rencontrent les courants de surface et forment une boucle sans fin qui contribue à répartir la chaleur sur la planète.

Ce sont les courants de densité qui assurent le maintien de la vie dans les océans. Lorsque l’eau froide et salée circule au fond des océans, elle s’enrichit de nutriments, comme le phosphore (P) et l’azote (N) qui proviennent de la décomposition de la matière organique. Lorsque l’eau remonte, ces nutriments sont entraînés vers la surface des océans. Ils alimentent alors le phytoplancton et les algues, et ils sont à la base de riches écosystèmes marins. Des remontées d’eau contenant beaucoup de nutriments se produisent également le long des régions côtières, sous l’influence des vents de surface.

Une bouteille à la mer Une bouteille lancée à la mer, en Gaspésie, pourrait être recueillie par une personne vivant au Sénégal, de l’autre côté de l’océan Atlantique. Les courants océaniques qui longent les côtes de l’Amérique du Nord et de l’Afrique et qui traversent l’océan Atlantique auront transporté la bouteille jusqu’au Sénégal. Il n’y a pas que les bouteilles qui voyagent ainsi. Sous l’effet de la circulation océanique, les objets et les déchets qui sont jetés dans les océans échouent à des milliers de kilomètres, sur les rives de tous les continents. D’autres déchets restent emprisonnés dans les grands tourbillons océaniques et y forment de véritables « îles flottantes » de plusieurs centaines de kilomètres carrés.

286

Chapitre 2 Terre et espace

Le réchauffement des océans Le réchauffement climatique pourrait affecter le niveau des océans et la circulation océanique. L’élévation du niveau de la mer, observée au cours du 20e siècle, est attribuable à la fonte des glaces, mais aussi à la dilatation thermique de l’eau des océans. En effet, le volume de l’eau qui se réchauffe augmente et fait s’élever le niveau des mers. Cette élévation du niveau des océans provoque des inondations et une érosion plus importante du littoral, à cause, notamment, de l’action des vagues. La circulation océanique et la circulation thermohaline, plus particulièrement, pourraient également être perturbées et ralenties par le réchauffement des eaux océaniques. En raison de la fonte accélérée des glaces polaires, l’eau, moins froide et moins salée, « plongerait » moins rapidement vers le fond des océans. Un tel ralentissement aurait des répercussions sur le climat et sur les écosystèmes de la planète. Le réchauffement de la planète pourrait aussi diminuer la capacité des océans à absorber le dioxyde de carbone (CO 2) puisque ce gaz, comme tous les autres gaz, se dissout plus facilement dans l’eau froide. Le CO2 qui ne pourra pas être dissous sera libéré dans l’atmosphère, ce qui risque d’aggraver l’effet de serre renforcé et le réchauffement climatique.

Voir L’effet de serre, p. 244.

La contamination des puits par l’eau salée L’élévation du niveau des océans, due au réchauffement de la planète, pourrait engendrer la contamination des puits par l’eau salée. Les populations qui vivent en bordure des océans auraient ainsi de la difficulté à s’approvisionner en eau douce. Près des régions côtières, l’eau salée des océans peut s’infiltrer dans les sols. Comme cette eau salée est plus dense, elle s’accumule sous la nappe d’eau douce souterraine. Le pompage de l’eau douce, près du littoral, peut alors provoquer la contamination de l’eau. Un pompage excessif de l’eau douce abaisse le niveau de la nappe souterraine et entraîne la formation d’un cône de dépression à sa surface (voir la figure 75). Cela a pour effet de faire remonter de l’eau salée dans le puits et de le contaminer.

Puits Cône de dépression Niveau de la mer Nappe d’eau douce souterraine

Infiltration d’eau salée souterraine

Figure 75 Le pompage d’eau salée en bordure des océans.

Section 3 L’hydrosphère

287

CONCEPT

3.4 Les glaciers et la banquise

ST

STE

Les glaciers sont de grandes masses de glace formées par l’accumulation et le tassement de couches de neige. La banquise est une vaste étendue de glace qui flotte dans les régions polaires. Les glaciers et la banquise constituent la cryosphère, la partie de l’hydrosphère qui se trouve sous forme de neige ou de glace. Ils renferment près de 80 % des réserves d’eau douce du globe. Ils se forment dans les régions froides de la planète, aux pôles et en altitude, où les températures sont suffisamment basses pour maintenir l’eau sous forme de glace (voir la figure 76). Groenland

Banquise

Banquise arctique

Glacier Limite hivernale de la banquise

Cercle polaire arctique

Montagnes Rocheuses

Alpes Himalaya

Équateur Cordillère des Andes

Cercle polaire antarctique

Banquise antarctique Antarctique

Figure 76 La répartition de la banquise et des glaciers à l’échelle de la planète. Les glaciers couvrent, en 2008, près de 10 % des terres émergées de la planète.

Sens d’écoulement de la glace

Calotte glaciaire

3.4.1 ST

Calotte glaciaire

Océan Glacier dépendant du relief (glacier de piémont) Iceberg Glacier dépendant du relief (glacier de cirque)

Glacier dépendant du relief (glacier de vallée)

Figure 77 Les types de glaciers.

288

Chapitre 2 Terre et espace

Les types de glaciers STE

Les glaciers sont d’énormes masses de neige et de glace comprimées qui s’étalent sur les continents. Leur partie superficielle est composée de neige qui provient des précipitations. Leur partie inférieure est constituée de glace formée par l’accumulation et le tassement de la neige, au fil des siècles. Cette glace permet aux glaciers de se déplacer très lentement, sous l’effet de leur poids et de la pente, et de s’écouler dans les vallées et les mers. Il existe deux grands types de glaciers : les calottes glaciaires et les glaciers dépendants du relief (voir la figure 77).

Les calottes glaciaires Les calottes glaciaires sont des glaciers qui recouvrent de grandes superficies et qui se déplacent dans toutes les directions. On distingue généralement deux types de calottes glaciaires : les inlandsis et les calottes locales. Les inlandsis sont de très grandes calottes glaciaires qui couvrent presque entièrement des continents. Il existe actuellement deux inlandsis sur la Terre : celui de l’Antarctique et celui du Groenland (voir la figure 79). Leur épaisseur moyenne est d’environ 2 km. L’inlandsis de l’Antarctique atteint 4,2 km d’épaisseur à certains endroits. Les prolongements des calottes glaciaires peuvent former de plus petits glaciers dépendants du relief. Lorsqu’ils atteignent la mer, ils deviennent des glaciers côtiers ou des plates-formes glaciaires flottantes. Sous l’effet des marées et des vagues, ils se brisent en énormes morceaux de glace et flottent à la dérive sur les océans. Ces morceaux de glace s’appellent des icebergs (voir la figure 78).

60°

30°



80

°

Figure 78 Un iceberg.



Socle rocheux (zone non occupée par le glacier)

00 1 0 000 2

ANTARCTIQUE

GROENLAND 3 00

0

4 00

0

70°

90° O

Pôle Sud

90° E 3 00 0

2 00 0

60°

Plate-forme glaciaire (prolongement flottant de l’inlandsis) 180°

Figure 79 Les inlandsis du Groenland et de l’Antarctique.

Les calottes locales sont de petites calottes glaciaires qui recouvrent le sommet des chaînes de montagnes. En raison de leur poids et de l’effet des lignes de crête des chaînes montagneuses, les calottes locales coulent vers les vallées en formant des glaciers dépendants du relief.

Limites topographiques de l’épaisseur de la glace (en mètres)

Voir Les bassins versants, p. 276.

L’inlandsis laurentien Il y a 80 000 ans, tout le Nord du continent américain était enseveli sous une épaisse calotte glaciaire. L’inlandsis laurentien recouvrait, en particulier, le territoire du Québec actuel. Son épaisseur pouvait atteindre plusieurs kilomètres au-dessus de la baie d’Hudson. Au cours des différentes phases d’écoulement de l’inlandsis, la surface de la lithosphère s’est érodée, sculptant le relief du Bouclier canadien et de la vallée du Saint-Laurent. Lors du retrait glaciaire, il y a environ 12 000 ans, la dépression créée par le poids des glaciers a favorisé la naissance des Grands Lacs. Désormais libérée du poids de l’inlandsis, la croûte terrestre se soulève lentement, encore de nos jours, pour reprendre sa forme initiale. Section 3 L’hydrosphère

289

Les glaciers dépendants du relief Les glaciers dépendants du relief comprennent les glaciers de cirque (ou glaciers suspendus), les glaciers de vallée (ou glaciers alpins) et les glaciers de piémont. Ces glaciers se déplacent dans une seule direction, en suivant la pente du bassin versant.

Figure 80 a Un glacier de cirque (Yukon, Canada).

Figure 80 b Un glacier de vallée (Yukon, Canada).

Les glaciers de cirque (voir la figure 80 a) se forment dans des creux situés sur le flanc des hautes montagnes. Les glaciers de vallée sont longs et étroits. Ils se déplacent dans des vallées rocheuses entourées de hautes parois (voir la figure 80 b). Lorsqu’ils sortent de leur vallée et s’étalent dans les plaines, au pied des montagnes, les glaciers de vallée deviennent des glaciers de piémont (voir la figure 80 c).

3.4.2

Figure 80 c Un glacier de piémont (Nunavut, Canada).

Pourcentage de la concentration de l’eau de mer en glace (1978-2002)

La banquise

ST

STE

La banquise est constituée de plaques de glace de mer plus ou moins compactes, qui flottent à la surface des océans dans les régions polaires. Une partie de ces océans froids est recouverte en permanence d’une banquise épaisse et compacte, appelée « banquise permanente » ou « pack ». Dans l’Arctique, son épaisseur peut atteindre de 4 à 5 m. Sa superficie est d’environ 8 millions de km2. Au cours de l’hiver polaire, la banquise s’étend et sa surface double lorsque l’eau, en bordure de la banquise permanente et des côtes, se fige en une banquise côtière (voir la figure 81). Au printemps, cette dernière commence à fondre et à se fissurer au cours de la débâcle. Elle dérive alors au gré des courants marins, sous la forme de blocs de glace ou d’immenses îles flottantes.

0 20 40 60 80 100 ARCTIQUE Février (hiver)

ANTARCTIQUE Septembre (été)

3 000 km

Février (été)

3 000 km

Septembre (hiver)

1 500 km

1 500 km

Figure 81 Les étendues moyennes des banquises arctique et antarctique. La concentration de la mer en glace varie du bleu (sans glace) au blanc (banquise compacte).

Voir La circulation océanique, p. 285.

290

Chapitre 2 Terre et espace

L’eau, en raison de sa salinité, se solidifie à une température de –1,8 °C. Lors de la formation de la banquise, les sels dissous sont rejetés dans l’eau de mer. Ainsi, la salinité de l’eau de mer augmente. Cette eau, plus dense, tend à « plonger » vers le fond des océans et à circuler le long du plancher océanique. La formation de la banquise est donc importante pour la circulation thermohaline.

La « mémoire » des glaciers La neige et la glace qui s’accumulent depuis des centaines de milliers d’années dans les régions froides de la planète ont emprisonné de petites bulles d’air. Cet air, aussi appelé « air fossile », permet d’étudier la composition de l’atmosphère et l’évolution des climats. Pour pouvoir analyser cet « air fossile », des carottes de glace (voir la figure 82) sont prélevées à l’intérieur des calottes glaciaires, à l’aide de foreuses, jusqu’à une profondeur de 3 600 m. Grâce aux carottes de glace prélevées en Antarctique et au Groenland, des scientifiques ont pu démontrer que la teneur de l’air en dioxyde de carbone (CO2), le principal gaz à effet de serre, avait constamment augmenté depuis l’essor de la révolution industrielle, il y a environ 150 ans.

Le recul de la banquise arctique

Figure 82 Le prélèvement et la coupe de carottes de glace.

Les scientifiques estiment que la superficie de la banquise arctique a diminué, depuis les années 1980, de près de 25 % à cause du réchauffement climatique. Elle pourrait continuer de diminuer d’autant plus rapidement que sa fonte accélère le réchauffement de l’océan Arctique. En effet, les eaux sombres de l’Arctique absorbent davantage de rayonnement solaire que la surface réfléchissante de la banquise. Cette réduction de la surface de la glace pourrait permettre l’ouverture d’une voie navigable dans l’Arctique canadien, qui relierait l’Europe à l’Asie. Toutefois, elle compromet la survie des ours polaires, lesquels ont besoin de cette surface glacée pour chasser les phoques.

L’eau douce des glaciers Les glaciers emmagasinent l’eau des précipitations qu’ils reçoivent chaque année. Ils constituent donc d’énormes réserves d’eau douce qui alimentent les bassins versants de plusieurs régions de la planète. Les scientifiques ont observé que les glaciers de la plupart des régions de la Terre fondent et reculent sans cesse depuis plusieurs décennies, en partie à cause du réchauffement climatique (voir la figure 83). La fonte accélérée des glaciers représente un problème pour l’ensemble des écosystèmes et pour plusieurs populations locales qui dépendent des cycles annuels de 1948 2002 cette masse de glace pour s’apFigure 83 Le recul du glacier de Trift, en Suisse, de 1948 à 2006. provisionner en eau douce.

2006

Section 3 L’hydrosphère

291

CONCEPT

3.5 La contamination de l’hydrosphère

STE

SE

La contamination de l’hydrosphère est la modification de la composition et des propriétés de l’eau par diverses substances qui proviennent principalement de l’activité humaine. Les eaux de surface et les eaux souterraines peuvent être souillées directement par les déchets qu’on y jette et par les eaux usées qu’on y déverse. Elles peuvent aussi être contaminées par les précipitations atmosphériques, comme les pluies acides, et par le ruissellement et l’érosion du sol dans le bassin versant. Voir Les bassins versants, p. 276. Certains organismes aquatiques, telles les plantes et les bactéries, sont capables d’éliminer une partie de ces polluants. Mais cela ne suffit pas à Rejet des Pollution atmosphéfaire disparaître la très grande Pluies acides eaux usées rique de source quantité de déchets qui sont industrielle Ruissellement déversés dans les eaux par l’acsur les terres tivité humaine. Ces déchets déboisées proviennent, entre autres, de Ruissellement l’agriculture, des industries et urbain des habitations (voir la figure 84). Eau d’égout Des milliers de substances sont Ruissellement traitée ainsi rejetées dans l’hydrosphère, agricole Déversements de pétrole modifient la qualité de l’eau et Infiltration des compromettent l’équilibre des contaminants Déchets qui flottent écosystèmes aquatiques. Il y a trois catégories de polluants de l’hydrosphère : les polluants biologiques, les polluants chimiques Figure 84 Les principales sources de contamination de l’hydrosphère. et les polluants physiques.

3.5.1

Voir L’eutrophisation, p. 295.

Les polluants biologiques

STE

SE

Les polluants biologiques sont des microorganismes (bactéries, virus, parasites) et des matières organiques produites par les êtres vivants (excréments, sucres, graisses, etc.). Ils viennent des eaux usées domestiques (égouts), des élevages d’animaux (lisier, fumier) et de certaines industries. Les matières organiques sont facilement dégradables, mais leur dégradation enrichit l’eau d’éléments nutritifs, ce qui favorise l’eutrophisation. La consommation d’eau contaminée par des microorganismes peut provoquer des troubles gastriques (diarrhées, vomissements) et des maladies parasitaires. Les eaux contaminées peuvent aussi entraîner la propagation d’épidémies.

Les déchets domestiques, un problème qui ne date pas d’hier Au cours de l’histoire, les lacs, les cours d’eau et les océans ont toujours servi de dépotoirs aux déchets domestiques, solides ou liquides. Les grandes villes ont longtemps évacué leurs eaux usées dans des tranchées, dans des caniveaux, puis dans des égouts souterrains qui se déversaient directement dans les cours d’eau et les océans. Au Québec, certaines municipalités profitaient même de la surface glacée des lacs et des rivières pour y déverser des tonnes de déchets domestiques. Au printemps, la glace fondait et les déchets « disparaissaient » au fond de l’eau.

292

Chapitre 2 Terre et espace

3.5.2

Les polluants chimiques

STE

SE

L’inventaire des polluants chimiques (voir le tableau 8) permet de distinguer cinq principaux types de contaminants : • les acides nitrique (HNO3) et sulfurique (H2SO4) ; • les nitrates (NO3–) et les phosphates (PO43–) ; • les métaux lourds ; • les hydrocarbures ; • les produits organiques persistants (POP). Tableau 8 Les principaux polluants chimiques de l’eau Principaux polluants

Principales sources de contamination

Principaux effets sur l’environnement ou sur la santé humaine

Acides nitrique (HNO3) et sulfurique (H2SO4)

Pluies acides

Rendent acides les lacs et les cours d’eau, déciment la flore et la faune aquatiques.

Nitrates (NO3–) et phosphates (PO43–)

Engrais et détergents

Contribuent au développement des algues dans les lacs et les cours d’eau.

Métaux lourds (mercure, plomb, etc.)

Mines, métallurgie, déforestation

S’accumulent dans les organismes et ont des effets sur le système nerveux.

Hydrocarbures (produits pétroliers)

Extraction, transport et stockage du pétrole

Provoquent des « marées noires ».

Produits organiques persistants (POP)

Pesticides, solvants, produits nettoyants

S’accumulent dans les organismes et ont des effets variables : cancérogènes, mutagènes.

Figure 85 Bien qu’il soit dégradable, le pétrole forme de grandes nappes visqueuses qui détruisent la faune et la flore des écosystèmes marins.

Les acides nitrique (HNO3) et sulfurique (H2SO4), contenus dans les pluies acides, acidifient les lacs et les rivières et détruisent leur faune et leur flore. Les nitrates (NO3–) et les phosphates (PO43–), utilisés dans la fabrication des engrais et des détergents, entraînent l’eutrophisation des eaux. Les déversements accidentels d’hydrocarbures dans les océans sont à l’origine de ce qu’on appelle les « marées noires ». Ces rejets d’hydrocarbures causent de graves dommages aux écosystèmes des rivages et des fonds marins (voir la figure 85). Les produits organiques persistants (POP) rassemblent un très grand nombre de molécules créées principalement par l’industrie chimique (les pesticides). Généralement toxiques, les POP se dégradent très lentement et leurs résidus peuvent subsister dans l’environnement pendant des décennies. Comme les métaux lourds, ils sont transportés sur de longues distances par le réseau hydrographique et ils s’accumulent dans les organismes aquatiques tels que les algues et les poissons. La consommation quotidienne d’eau polluée par des traces de ces substances peut avoir des effets néfastes sur la santé humaine.

3.5.3

Les polluants physiques

STE

SE

Les principaux polluants physiques sont des débris insolubles et non dégradables (tels les plastiques) ainsi que les eaux chaudes qui sont rejetées par les systèmes de refroidissement des centrales thermiques et nucléaires. Les déchets solides peuvent s’accumuler et former d’immenses décharges flottantes qui dérivent au rythme des courants (voir la figure 86). Ces débris peuvent blesser certains animaux aquatiques ou encore les étouffer. Le réchauffement des eaux (la pollution thermique) peut nuire aux poissons, car il réduit la concentration de dioxygène (O2) dans l’eau et favorise ainsi l’eutrophisation.

Figure 86 Les déchets qu’on trouve dans la mer, comme les sacs de plastique, peuvent tuer ou blesser les animaux marins.

Section 3 L’hydrosphère

293

Les eaux usées et la production d’eau potable

Voir Le traitement des eaux usées, p. 506.

Le Canada possède de grands « réservoirs » naturels d’eau douce, comme les Grands Lacs et le Saint-Laurent. Toutefois, pour que cette eau puisse être bue sans danger, elle doit d’abord être traitée de façon à éliminer les divers contaminants qui s’y trouvent. L’eau utilisée pour les besoins domestiques doit aussi être traitée avant d’être rejetée dans l’environnement. L’ensemble de ces traitements est souvent très coûteux. Une surconsommation d’eau accroît le volume des eaux usées à traiter et peut conduire à un engorgement des systèmes de traitement. Ce faisant, les risques de contamination de l’environnement sont augmentés et les approvisionnements en eau potable sont compromis.

Les contaminants issus de la déforestation Autrefois, la drave (le transport par voie d’eau du bois des arbres abattus) a provoqué la pollution des eaux par des résidus organiques du bois (voir la figure 87). De nos jours, la déforestation reste une source importante de contamination des cours d’eau. Le ruissellement de l’eau de pluie sur les terres déboisées transporte jusque dans les cours d’eau divers sédiments, soit des particules de sol et des métaux toxiques comme le mercure. Les sédiments et les particules en suspension peuvent diminuer la transparence de l’eau et se déposer dans le lit des rivières, ce qui a des effets néfastes sur la faune et la flore aquatiques. Ces dépôts empêchent alors la lumière, qui est nécessaire aux plantes aquatiques, de pénétrer dans l’eau et étouffent les œufs des poissons qui frayent. Figure 87 Le flottage du bois sur l’eau est une source de pollution.

Les contaminants issus de l’agriculture L’utilisation intensive d’engrais chimiques et de pesticides est une source majeure de contamination des eaux. Le ruissellement des eaux sur les terres agricoles et leur infiltration dans le sol transportent ainsi de grandes quantités de pesticides, de nitrates et de phosphates vers les cours d’eau et la nappe souterraine. L’atrazine, un pesticide utilisé pour détruire les mauvaises herbes, est souvent décelé dans l’eau des puits et des rivières du Canada. Ce pesticide est toxique pour les poissons et les algues. Les nitrates peuvent également contaminer la nappe d’eau souterraine, particulièrement dans les régions rurales. Leur présence, dans l’eau des puits, est nuisible à la santé.

294

Chapitre 2 Terre et espace

CONCEPT

3.6 L’eutrophisation

STE

SE

L’eutrophisation est un processus d’enrichissement graduel d’un milieu aquatique en éléments nutritifs, comme le phosphore (P) et l’azote (N). L’eutrophisation est un processus naturel qui transforme progressivement un lac en marais (voir la figure 88), puis en tourbière ou en prairie. Ce processus s’étend généralement sur des dizaines de milliers d’années. Cependant, si d’importantes quantités de phosphore (P) et d’azote (N) sont continuellement déversées dans les milieux aquatiques par les activités humaines, le processus d’eutrophisation peut s’accélérer et transformer un lac en marais en quelques dizaines d’années seulement. Dans ce contexte, l’eutrophisation devient une forme de contamination qui affecte la qualité de l’eau et de l’écosystème aquatique. Les signes d’eutrophisation sont la prolifération des plantes, des algues et des bactéries ainsi que l’accumulation de matière organique morte. L’eutrophisation est surtout observable dans les lacs, mais elle se manifeste également dans les rivières, les fleuves, les estuaires, les baies et les golfes.

*

3.6.1 STE

Zone caractérisée par * Tourbière l’accumulation de tourbe, une matière organique d’origine végétale, peu ou pas décomposée. Voir Le cycle du phosphore, p. 355 ; Le cycle de l’azote, p. 352.

Le processus d’eutrophisation SE

L’eutrophisation se produit en plusieurs étapes : • Il y a d’abord une prolifération de plantes aquatiques, d’algues, de phytoplancton et de bactéries Figure 88 L’eutrophisation change un lac en marais. photosynthétiques appelées « cyanobactéries ». Les plantes et les algues sont alors si nombreuses que les animaux aquatiques, comme les poissons herbivores, n’arrivent pas à toutes les consommer. En proliférant ainsi, elles forment une pellicule verdâtre à la surface de l’eau et privent de lumière les végétaux qui vivent dans les couches profondes du lac (voir la figure 89). • Comme les végétaux ne peuvent plus réaliser la photosynthèse, ils finissent par mourir. Ils se déposent alors au fond du lac où ils sont décomposés par des bactéries.

Voir La photosynthèse et la respiration, p. 112.

• Ces bactéries se multiplient à leur tour et utilisent plus de dioxygène (O2) pour décomposer le surplus de matière organique. Le dioxygène dissous se raréfie et certaines espèces de poissons, d’insectes et de crustacés disparaissent progressivement. Si les eaux continuent d’être trop chargées en azote (N) et en phosphore (P), une grande partie des bactéries manqueront aussi de dioxygène et mourront. Les organismes morts vont s’accumuler au fond du lac où ils formeront une épaisse couche de vase.

Figure 89 Le développement des algues et du phytoplancton est un signe d’eutrophisation. Les eaux deviennent alors verdâtres.

Section 3 L’hydrosphère

295

• Finalement, les sédiments qui se déposent au fond de l’eau entraîneront la dégradation progressive du lac. Celui-ci sera transformé en marais, puis en tourbière ou en prairie.

3.6.2

Voir Les bassins versants, p. 276.

Les facteurs qui favorisent l’eutrophisation

STE

SE

Le processus d’eutrophisation s’accélère lorsque l’équilibre d’un écosystème aquatique est soudainement brisé par un apport excessif de nutriments, principalement en phosphates et en nitrates. L’apport supplémentaire de nutriments est dû à l’accroissement du ruissellement dans le bassin versant et au rejet des eaux usées qui viennent de sources agricoles, résidentielles et industrielles (voir la figure 90). Ruissellement  phosphore (P) et azote (N)

a) Dans un lac équilibré, les eaux sont claires, bien oxygénées et pauvres en nutriments. Les algues sont peu nombreuses et il y a beaucoup d’espèces animales.

c) La condition de l’eau provoque la mort des végétaux qui vivent dans les profondeurs du lac. Les décomposeurs se multiplient et font diminuer le taux de dioxygène, ce qui entraîne la mort des poissons.

b) Le ruissellement qui vient des terres agricoles et des zones habitées enrichit le lac en phosphore et en azote, ce qui déclenche la prolifération des plantes, des algues et du phytoplancton.

d) Le lac est devenu eutrophe (riche en nutriments), c’est-à-dire peu profond, vaseux et recouvert d’une végétation aquatique.

Figure 90 L’eutrophisation accélérée d’un lac, due aux activités humaines.

D’autres facteurs contribuent à l’eutrophisation : une température de l’eau comprise entre 15 °C et 25 °C, une luminosité importante qui fait augmenter la température de l’eau en surface et un ralentissement local des courants qui assurent normalement l’oxygénation de l’eau.

296

Chapitre 2 Terre et espace

L’eutrophisation nuit à la qualité de l’eau De nombreuses personnes dépendent des eaux d’un lac pour leur consommation d’eau potable. Le rejet des eaux usées des stations d’épuration ou des fosses septiques favorise l’eutrophisation. Ce processus entraîne une croissance excessive des plantes aquatiques, des algues et des cyanobactéries, lesquelles nuisent à la production d’eau potable. Par exemple, lorsque l’eau d’un lac est pompée pour être acheminée vers l’usine de traitement, les algues de grande taille peuvent obstruer les prises d’eau et les filtres. Et les cyanobactéries produisent des toxines qui sont libérées dans l’eau, qui la contaminent et qui la rendent impropre à la consommation. L’élimination de ces toxines nécessite des traitements supplémentaires et coûteux.

Les sols déboisés contribuent à l’eutrophisation L’abattage d’une forêt, dans un bassin versant ou sur les rives d’un lac, peut accroître la quantité de nutriments qui seront déversés dans ce lac. D’une part, la disparition des arbres entraîne une augmentation de la température et de l’humidité du sol, ce qui favorise la décomposition de sa matière organique en nutriments. D’autre part, le déboisement diminue les capacités naturelles de la végétation à absorber les nutriments issus de la décomposition et à freiner le ruissellement. L’eau de pluie ruisselle alors sur le sol mis à nu et s’enrichit progressivement de matière organique, de nutriments et de sédiments qu’elle transporte en plus grande quantité jusqu’aux lacs.

Les activités agricoles, source d’eutrophisation Dans les régions rurales, l’agriculture est une source importante d’eutrophisation des lacs et des cours d’eau. Il y a d’abord les élevages d’animaux qui produisent de gros volumes d’excréments, sous forme de lisier et de fumier. Ces déjections sont généralement répandues comme engrais sur des terres agricoles (voir la figure 91). Leur décomposition libère de grandes quantités de nutriments dans le sol. Ensuite, des engrais industriels, azotés et phosphatés, sont utilisés massivement pour accroître la fertilité des sols. Le ruissellement des eaux sur les terres agricoles abondamment fertilisées entraîne un surplus de nitrates (NO3–) et de phosphates (PO43–) dans les eaux des lacs et des rivières, ce qui contribue à l’eutrophisation de ces eaux. Enfin, l’irrigation intensive de certaines cultures comme le maïs, qui nécessite beaucoup d’eau, et l’absence d’arbustes ou d’arbres le long des champs accroissent le ruissellement sur les terres. La réduction des fertilisants et la plantation de Figure 91 L’épandage de lisier. végétation dense peuvent limiter l’eutrophisation.

Section 3 L’hydrosphère

297

CONCEPT

3.7 Les ressources énergétiques de l’hydrosphère ST STE ATS

Les ressources énergétiques de l’hydrosphère sont des énergies renouvelables qui regroupent l’énergie hydroélectrique et l’énergie marémotrice. Toutes les ressources énergétiques de l’hydrosphère, à l’exception de l’énergie marémotrice, dérivent de l’énergie rayonnante du Soleil, le moteur du cycle de l’eau. Comme l’eau circule et emmagasine de la chaleur, elle est la source de nombreuses énergies qui peuvent être exploitées par l’être humain pour produire de l’électricité. Les lacs et les eaux vives des fleuves fournissent l’énergie hydroélectrique. Les mers et les océans procurent l’énergie marémotrice. D’autres ressources énergétiques de l’hydrosphère, telles l’énergie maréthermique, l’énergie des vagues et l’énergie des courants marins, sont en voie d’être développées.

3.7.1 Voir La relation entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse, p. 148.

Les premiers barrages Les premiers barrages érigés par les êtres humains remontent à l’Antiquité et ils sont l’œuvre des Égyptiens et des Babyloniens. Construits en terre, ces barrages permettaient d’irriguer les terres et d’approvisionner les populations en eau. Ils ne furent utilisés comme source d’énergie, pour actionner des moulins à eau, par exemple, qu’au Moyen Âge. Durant le 20e siècle, l’utilisation du béton et de nouveaux procédés de construction a permis d’édifier des barrages plus imposants. De nos jours, on compte plus de 35 000 barrages hydroélectriques dans le monde qui ont plus de 15 m de hauteur.

298

Chapitre 2 Terre et espace

L’énergie hydroélectrique

ST

STE

ATS

L’énergie hydroélectrique est produite par l’énergie mécanique due aux mouvements de l’eau, qui peut tomber d’une hauteur de chute (centrales à réservoir) ou couler dans un cours d’eau (centrales au fil de l’eau). Les centrales à réservoir nécessitent la construction de barrages pour fermer le cours d’une rivière ou d’un fleuve et créer ainsi de grands réservoirs d’eau qui augmentent la hauteur de chute (voir la figure 92). Du réservoir, une conduite forcée dirige l’écoulement de l’eau vers la centrale. C’est la hauteur de chute qui détermine la vitesse de l’écoulement de l’eau et la puissance des turbines et des génératrices.

Figure 92 Le barrage Daniel-Johnson (la centrale Manic-5), sur la rivière Manicouagan (Québec).

Les centrales au fil de l’eau exploitent directement la force du débit d’une rivière ou d’un fleuve, sans avoir à créer de trop grands réservoirs ou de grandes hauteurs de chute (voir la figure 93). La puissance de ces centrales est donc déterminée principalement par le débit des eaux.

Figure 93 La centrale hydroélectrique de Carillon, sur la rivière des Outaouais (Québec).

Dans les deux types de centrales (centrales à réservoir et centrales au fil de l’eau), l’écoulement de l’eau actionne des turbines qui, reliées à des génératrices, produisent de l’électricité (voir la figure 94). Des lignes à haute tension transportent cette électricité de la centrale vers les régions et les localités à desservir. Ligne à haute tension Barrage

Réservoir d’eau

Déversoir Génératrice

Conduite forcée Turbine

L’eau est évacuée vers le cours d’eau.

Figure 94 Une vue en coupe d’un barrage.

L’énergie hydroélectrique constitue la source d’énergie issue de l’hydrosphère qui est la plus utilisée dans le monde. En 2008, près de 94 % de l’électricité produite au Québec est de source hydroélectrique alors que, au Canada, l’hydroélectricité constitue 60 % de l’électricité produite.

Le groupe turbine-génératrice La production d’électricité repose généralement sur l’utilisation d’une turbine reliée à une génératrice, qu’on appelle aussi un « alternateur » (voir la figure 95). L’eau provenant du barrage entre dans la conduite forcée, passe par une bâche en spirale (un conduit métallique), se dirige vers la turbine et s’écoule dans le canal d’évacuation. Lorsque la turbine est actionnée par le passage d’un fluide (eau ou vapeur d’eau), elle se met à tourner. En tournant, elle entraîne une génératrice qui est composée d’une partie fixe, le stator, et d’une partie mobile, le rotor. Le stator est constitué d’un enroulement de barres de cuivre et le rotor, d’aimants. Lorsque le rotor tourne dans le stator, les électrons qui sont dans les barres de cuivre se mettent à vibrer. C’est cette vibration des électrons qui génère un courant électrique.

Génératrice Stator

Cond

uite

forcé

e

Rotor

Bâche en spirale Turbine Canal d’évacuation de l’eau

Figure 95 Le schéma du groupe turbine-génératrice d’une centrale hydroélectrique.

Section 3 L’hydrosphère

299

3.7.2 Voir Le système Terre-Lune, p. 237.

L’énergie marémotrice

ST

STE

ATS

L’énergie marémotrice est l’énergie produite par les mouvements de l’eau créés par les marées océaniques. Les centrales marémotrices modernes exploitent à la fois les variations du niveau de la mer et les courants d’eau, deux phénomènes dus aux mouvements des marées (voir la figure 96). L’énergie marémotrice est encore peu utilisée dans le monde (moins de 10 centrales sont opérationnelles en 2008). Mais la recherche de sites et de nouvelles technologies devrait faire accroître son utilisation dans les prochaines décennies.

L’énergie maréthermique, l’énergie des vagues et l’énergie des courants marins ST STE ATS

3.7.3

Plusieurs nouveaux systèmes technologiques sont à l’étude ou en cours de réalisation pour mettre à profit l’hydrosphère dans la production d’électricité. L’énergie maréthermique, l’énergie des vagues et l’énergie des courants en sont des exemples. L’énergie maréthermique est produite en utilisant la différence de température entre l’eau de la surface des océans, chauffée par le rayonnement solaire, et l’eau profonde (généralement à 1 000 m de profondeur) dont la température se maintient autour de 4 °C. Des Figure 96 La centrale marémotrice d’Annapolis Royal, en centrales maréthermiques, munies de systèmes Nouvelle-Écosse (Canada). d’échangeurs thermiques et de turbines, permettraient d’utiliser cette différence de température pour produire de l’électricité. Le potentiel maréthermique est surtout intéressant dans les mers tropicales où la température de l’eau en surface peut atteindre 28 °C. Toutefois, son rendement Voir Le rendement énergétique, p. 154. énergétique risque d’être relativement faible, puisque le pompage de l’eau profonde consomme beaucoup d’énergie.

Tube à air Turbine Flux d’air

Chambre en béton Mouvement des vagues

L’énergie des vagues est l’énergie mécanique créée par les mouvements des vagues, de haut en bas, pouvant être convertie en énergie électrique. Par exemple, certaines usines pourraient utiliser l’oscillation de l’eau dans un système appelé « colonne d’eau oscillante ». Selon ce système, les vagues entrent dans une chambre en béton et en sortent, en repoussant et en aspirant l’air qui s’y trouve. Ces mouvements font tourner une turbine (voir la figure 97). Les mouvements des vagues peuvent produire d’imporMer tantes quantités d’énergie. Mais les vagues, comme les vents, sont soumises aux variations des conditions atmosphériques. Leur force est donc très variable.

Figure 97 Une vue en coupe du système qui utilise l’énergie des vagues.

300

Chapitre 2 Terre et espace

L’énergie des courants marins pourrait être exploitée pour actionner les hélices d’un moulin sous-marin, qu’on appelle aussi une « hydrolienne » (voir la figure 98). Selon ce système, les courants marins font tourner les pales des turbines qui convertissent l’énergie cinétique en énergie mécanique. L’électricité produite par les génératrices descend dans un câble relié au rivage. Le principe de fonctionnement d’une hydrolienne est identique à celui d’une éolienne. Cependant, une hydrolienne génèrerait plus d’énergie qu’une éolienne de même taille parce que la densité de l’eau est plus élevée que celle de l’air.

Balise

Tour rotative

Génératrice Sens du courant

Pale Câble

Figure 98 Le schéma d’une hydrolienne qui exploite l’énergie des courants marins.

L’hydroélectricité et les gaz à effet de serre (GES) À l’exception des centrales hydroélectriques à réservoir, l’exploitation des ressources énergétiques de l’hydrosphère a l’avantage de ne pas produire de gaz à effet de serre (GES). Les GES émis par l’hydroélectricité proviennent des grands réservoirs qui sont formés en amont des barrages. Ces réservoirs, une fois remplis, dégagent du dioxyde de carbone (CO2) et du méthane (CH4) pendant les premières années. Ces gaz résultent principalement de la décomposition de la végétation qui a été submergée. La quantité de gaz dégagé peut être réduite par le défrichement du site avant de procéder au remplissage du réservoir. Ces émissions de GES demeurent très faibles en comparaison de celles qui sont générées par l’exploitation des énergies fossiles dans les centrales thermiques au pétrole, au gaz naturel et au charbon. Après quelques années de production, le bilan des GES de l’hydroélectricité demeure avantageux par rapport à celui des centrales thermiques. Section 3 L’hydrosphère

301

Pour faire le point

Les bassins versants

ST

STE

ATS

(pages 276 à 280)

1. a) Qu’est-ce qu’un bassin versant ? b) Quel nom donne-t-on à la frontière entre deux bassins versants ? 2. a) Comment les eaux de ruissellement et les eaux souterraines s’écoulent-elles ? b) Quels sont les différents niveaux de bassins versants ? 3. Nommez les deux bassins océaniques qui occupent le territoire québécois. 4. a) Quelle est la différence entre un delta et un estuaire ? b) Expliquez comment les cours d’eau transportent des sédiments.

SECTION

3

L’hydrosphère

11. Expliquez pourquoi les remontées d’eau dues aux courants de densité sont importantes pour les écosystèmes marins.

Les glaciers et la banquise

ST

STE

(pages 288 à 291)

12. Quelle est la principale différence entre les glaciers et la banquise ? 13. a) Quels sont les deux grands types de glaciers ? b) En quoi ces deux types de glaciers sont-ils distincts ? 14. Pourquoi la formation de la banquise est-elle essentielle à la circulation thermohaline ?

La contamination de l’hydrosphère

STE

SE

(pages 292 à 294)

La salinité

ST

STE

(pages 281 à 283)

5. a) D’ou vient la salinité élevée de l’eau de mer ? b) Pourquoi les océans ne sont-ils pas de plus en plus salés ? 6. a) Quelle est la différence entre l’eau saumâtre et l’eau de mer ? b) Dans quels secteurs du fleuve Saint-Laurent trouve-t-on de l’eau saumâtre ?

La circulation océanique

ST

STE

(pages 284 à 287)

7. Expliquez brièvement comment la circulation océanique régule les climats à l’échelle de la planète.

15. a) Quelles sont les trois catégories de contaminants de l’hydrosphère ? b) Donnez quelques exemples de contaminants correspondant à chacune de ces catégories. 16. Décrivez une conséquence de la pollution thermique.

L’eutrophisation

STE

SE

(pages 295 à 297)

17. a) Qu’est-ce que l’eutrophisation ? b) Dans quel cas le processus d’eutrophisation devient-il une forme de contamination ? 18. Décrivez toutes les étapes du processus d’eutrophisation.

8. a) Qu’est-ce qui génère les courants de surface ? b) Quels sont les principaux facteurs qui font dévier la circulation des courants de surface ? c) À quel phénomène atmosphérique peut-on comparer la circulation océanique des courants de surface ?

Les ressources énergétiques de l’hydrosphère

9. a) Qu’est-ce que le Gulf Stream ? b) Quel est l’effet du Gulf Stream sur le climat de l’Europe du Nord ?

20. Quelle est la différence entre l’énergie maréthermique et l’énergie marémotrice ?

10. a) Qu’est-ce que la circulation thermohaline ? b) Quel autre nom donne-t-on à la circulation thermohaline ? c) Pourquoi l’eau froide est-elle plus « lourde » que l’eau chaude ?

302

Chapitre 2 Terre et espace

ST

STE

ATS

(pages 298 à 301)

19. a) Nommez cinq ressources énergétiques de l’hydrosphère. b) Quelle est la ressource de l’hydrosphère la plus utilisée actuellement dans le monde ?

21. Pourquoi les énergies provenant de l’hydrosphère sont-elles considérées comme relativement propres et renouvelables ?

SECTION

Les bassins versants

ST

STE

3

L’hydrosphère

ATS

Portion du territoire qui draine toutes les précipitations reçues vers un même endroit. • La ligne de crête est la frontière naturelle entre deux bassins versants. • Il y a différents niveaux de bassins versants qui « s’imbriquent » les uns dans les autres : – le bassin versant océanique (océan) ; – le bassin versant fluvial (fleuve) ; – le bassin versant secondaire (rivière ou lac) ; – le bassin versant local (affluents d’une rivière). • Le bassin versant draine, d’amont en aval, l’eau, les sédiments et les minéraux qui vont alimenter les rivières, puis les fleuves. Ces derniers forment des deltas ou des estuaires avant de rejoindre l’océan.

La salinité

ST

STE

Concentration de sels minéraux dissous dans l’eau. • La salinité des eaux est variable : – l’eau de mer est constituée principalement de chlorure de sodium (NaCl), et sa salinité moyenne est d’environ 35 g/L ; – l’eau saumâtre est un mélange d’eau douce et d’eau de mer, et sa salinité est comprise entre 1 g/L et 10 g/L ; – l’eau douce a une faible salinité (< 1 g/L). • La concentration en sels des océans est relativement stable, puisqu’une partie des sels minéraux est renvoyée dans l’atmosphère par les embruns et qu’une autre partie se dépose dans les fonds marins et est stockée dans les sédiments.

La circulation océanique

ST

STE

Mouvement et déplacement de l’eau, sous forme liquide, à l’échelle de la planète. • Les courants de surface sont générés par les vents : – la trajectoire de ces courants est déviée par la force de Coriolis et par la présence des continents ; – cinq grands tourbillons océaniques orientent les courants de surface. • Les courants de densité (ou courants profonds) dépendent de la circulation thermohaline : – par un phénomène de convection, l’eau froide et salée, plus dense, « plonge » vers le fond des océans où elle circule le long du plancher océanique, puis remonte sous forme de courant plus chaud ; – la remontée à la surface de l’eau, enrichie d’éléments nutritifs, assure le maintien de la vie dans les océans.

Section 3 L’hydrosphère

303

Les glaciers et la banquise

ST

STE

• Les glaciers sont de grandes masses de glace formées par l’accumulation et le tassement de couches de neige : – les calottes glaciaires (les inlandsis et les calottes locales) couvrent de grands territoires ; – les glaciers dépendants du relief sont plus petits et s’écoulent dans le sens des bassins versants. • La banquise est une vaste étendue de glace formée par la solidification de l’eau dans les régions polaires. Sa superficie varie selon les saisons. Elle joue un rôle important dans la circulation thermohaline.

La contamination de l’hydrosphère

STE

SE

Modification de la composition et des propriétés de l’eau. • La contamination de l’hydrosphère est causée par des polluants : – biologiques, soit des microorganismes et des matières organiques facilement dégradables ; – chimiques, soit les acides nitrique et sulfurique, les nitrates et les phosphates, les métaux lourds, les hydrocarbures et les produits organiques persistants ; – physiques, soit des débris et des déchets solides ainsi que les eaux chaudes issues des centrales thermiques et nucléaires.

L’eutrophisation

STE

SE

Processus d’enrichissement graduel d’un milieu aquatique en éléments nutritifs, comme le phosphore (P) et l’azote (N). • L’eutrophisation se produit en plusieurs étapes : – la prolifération des végétaux, des algues et des bactéries ; – la décomposition par des bactéries des végétaux morts et la diminution de dioxygène (O2) ; – l’accumulation de matière organique morte et la formation d’une couche de vase ; – la transformation progressive en lac peu profond, en marais, puis en tourbière ou en prairie.

Les ressources énergétiques de l’hydrosphère

ST

STE

ATS

Énergies renouvelables qui regroupent l’énergie hydroélectrique et l’énergie marémotrice. • L’énergie hydroélectrique se sert du mouvement de l’eau pouvant tomber d’une hauteur de chute ou couler dans le lit d’une rivière. • L’énergie marémotrice utilise les variations du niveau de la mer et les courants dus aux marées. • D’autres procédés de production d’énergie sont à l’étude. Parmi ceux-ci, on trouve l’énergie maréthermique, l’énergie des vagues et l’énergie des courants.

304

Chapitre 2 Terre et espace

SECTION

L

a lithosphère se compose de la croûte terrestre (continentale et océanique) et de la partie supérieure du manteau. Depuis la formation de la Terre, le relief de la lithosphère s’est modelé sous l’action combinée du volcanisme, de la tectonique des plaques, de la sédimentation et de l’érosion due à l’eau et aux vents. Milieu à la fois minéral et vivant, le sol est une mince pellicule qui recouvre la surface de la lithosphère. Il résulte de l’altération de la roche qui a subi l’action des climats, des végétaux et des microorganismes. Le sol a une épaisseur qui varie de quelques centimètres à plusieurs mètres. Il constitue le support des plantes, il fournit nourriture et habitat aux organismes vivants et il joue un rôle majeur dans les cycles biogéochimiques et dans le cycle de l’eau. Son équilibre est déterminant pour l’agriculture et les écosystèmes. La lithosphère renferme plusieurs ressources minérales et énergétiques qui sont indispensables à l’être humain. La dégradation et la contamination des sols, dues notamment aux activités humaines, peuvent affecter l’ensemble de la biosphère. Dans cette section, vous explorerez les caractéristiques des ressources minérales et énergétiques de la lithosphère, ainsi que celles des sols.

4

La lithosphère

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

Les minéraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 ST

STE

ATS

Les horizons du sol . . . . . . . . . . . . . . . 312 ST

STE

SE

La capacité tampon du sol . . . . . . . . 314 STE

SE

L’épuisement des sols . . . . . . . . . . . . 315 STE

La contamination des sols . . . . . . . . 318 ST

STE

Le pergélisol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 ST

STE

Les ressources énergétiques de la lithosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 ST

STE

ATS

305

CONCEPT

4.1 Les minéraux

ST

STE

ATS

Les minéraux sont des éléments ou des composés chimiques qui entrent dans la composition des roches et des sols. Voir Les familles et les périodes du tableau périodique, p. 36. ÉLÉMENTS Oxygène (O) Silicium (Si)

Structure moléculaire (SiO4)

Cristal de quartz (minéral)

Grain de sable

Empilement de grains de sable (roche)

Figure 99 Des éléments aux minéraux, puis aux roches.

On trouve plus de 4 000 minéraux différents dans la lithosphère. Certains minéraux sont formés d’un seul élément chimique, comme l’or (Au) et le diamant (C), alors que d’autres sont des composés chimiques, comme le quartz (SiO2) et la magnétite (Fe3O4). Dans les minéraux, les atomes des éléments et des composés sont disposés de façon particulière et constituent une structure qui prend la forme d’un cristal. Généralement, les roches sont des associations de minéraux, et leurs fins débris forment des sables de couleurs variées (voir les figures 99 et 100).

4.1.1

Les principales propriétés des minéraux

ST

STE

ATS

Les minéraux possèdent des propriétés physiques et chimiques qui leur sont propres telles que la structure cristalline, la couleur, l’éclat, le clivage, la dureté et la couleur du trait. Ces propriétés des minéraux facilitent leur identification et leur classification. La structure cristalline correspond à la forme géométrique du cristal d’un minéral. On distingue sept principales structures cristallines : les structures cubique, tétragonale, hexagonale, orthorhombique, rhomboédrique, monoclinique et triclinique (voir le tableau 9). Cependant, tous les minéraux ne présentent pas une structure cristalline précise ; certains sont formés d’agrégats (ensembles) de cristaux. Tableau 9 Les sept principales structures cristallines des minéraux Exemples de minéraux

Structures

Halite (sel de table)

Cubique

Wulfénite

Tétragonale

Corindon

Hexagonale

Topaze

Orthorhombique

Tourmaline

Rhomboédrique

Gypse

Monoclinique

Albite

Triclinique

Figure 100 Le cristal de quartz.

306

Chapitre 2 Terre et espace

La couleur d’un minéral dépend de sa composition. Certains minéraux ont une couleur spécifique, tel le jaune doré de l’or. D’autres ont plusieurs couleurs selon les impuretés présentes dans leur structure cristalline. Par exemple, le corindon (Al2O3) est bleu lorsqu’il contient des traces de fer (Fe) et de titane (Ti). On le nomme alors « saphir » (voir la figure 101 a). Il est rouge lorsqu’il renferme du chrome (Cr), du titane (Ti) et surtout du cobalt (Co). Il est alors appelé « rubis » (voir la figure 101 b).

Figure 101 a Le corindon bleu (le saphir).

Figure 101 b Le corindon rouge (le rubis).

L’éclat d’un minéral est sa capacité à absorber la lumière ou à la réfléchir. On distingue deux grandes familles de minéraux : les minéraux à éclat métallique (voir la figure 102 a) et les minéraux à éclat non métallique (voir la figure 102 b). Les minéraux à éclat métallique (or, argent et cuivre) réfléchissent la lumière et sont brillants. Les minéraux à éclat non métallique sont généralement ternes (talc, amiante) ou vitreux (quartz).

Figure 102 a L’éclat métallique de l’argent.

Figure 102 b L’éclat terne du talc.

Le clivage d’un minéral est la façon dont il se divise en plus petites unités (ou cristaux). Certains minéraux, comme le mica, le graphite et le talc, sont disposés en feuillets plats et lisses (voir la figure 103 a). Ils se détachent en fines lamelles. D’autres, comme l’halite (le sel de table), se séparent en cubes aux faces lisses (voir la figure 103 b). D’autres encore, comme l’obsidienne, forment des fragments aux surfaces irrégulières et rugueuses lorsqu’ils se cassent. On parle alors de cassure ou de fracture (voir la figure 103 c).

Figure 103 a Le clivage du mica (feuillets).

Figure 103 b Le clivage de l’halite (cubes).

Figure 103 c La cassure de l’obsidienne (fragments).

Section 4 La lithosphère

307

REPÈRE

LA COMMISSION GÉOLOGIQUE DU CANADA La Commission géologique du Canada est un organisme fédéral d’information et de recherche en sciences de la Terre. Cet organisme collecte des données scientifiques utiles à la prospection et à la mise en valeur des ressources minérales et des hydrocarbures au Canada. Il procède aussi à l’évaluation des risques naturels et environnementaux associés à des phénomènes géologiques tels que des tremblements de terre et des glissements de terrain.

La dureté d’un minéral est sa capacité à résister à la rayure d’un objet ou d’un autre minéral. Un minéral est plus dur qu’un autre s’il raye ce dernier. Pour évaluer la dureté des minéraux, un minéralogiste autrichien, Friedrich Mohs (1773-1839), a mis au point une échelle de dureté allant de 1 à 10, du plus tendre minéral au plus dur (voir le tableau 10). Tableau 10 L’échelle de Mohs Minéral

Talc

Dureté du minéral

Dureté d’objets communs

1 (le plus tendre)

Mine de crayon tendre (1,5)

Gypse

2

Ongle (2,5)

Calcite

3

Morceau de cuivre (3,5)

Fluorine

4

Clou de fer (4,5)

Apatite

5

Verre (5,5)

Feldspath

6

Lime d’acier (6,5)

Quartz

7

Porcelaine (7,0)

Topaze

8

Papier de verre (7,5)

Corindon

9

Papier d’émeri (9,0)

Diamant

10 (le plus dur)

Figure 104 Le diamant est le plus dur des minéraux.



Le trait de couleur d’un minéral correspond à la couleur de la trace de poudre laissée par le minéral lorsqu’il est frotté contre une surface dure comme un carreau de porcelaine non émaillée (voir la figure 105). Les minéraux peuvent également être caractérisés par leur densité ou par d’autres propriétés telles que la fluorescence, la conductibilité électrique, le magnétisme et la radioactivité.

Figure 105 Le trait de couleur de l’hématite, un minéral riche en fer dont la couleur peut être rouge foncé ou grise, est de couleur rouge-brun foncé.

4.1.2

Les principales ressources minérales

ST

STE

ATS

Depuis l’Antiquité, l’être humain extrait des minéraux et les façonne pour fabriquer des outils, des objets et des bijoux. De nos jours, on exploite surtout les minéraux pour en tirer des métaux et d’autres substances dont on se servira comme matériaux de construction et sources d’énergie. La plupart des minéraux utiles à nos besoins sont mélangés à d’autres minéraux et forment de la roche. Une roche qui contient une quantité suffisante de minéraux pour être exploitée s’appelle un minerai. Pour séparer les minéraux utiles des autres substances contenues dans la roche, il faut transformer le minerai. Cette opération produit souvent de nombreux déchets qui peuvent contaminer l’environnement. Les minerais peuvent contenir des minéraux métalliques ou industriels. Ils peuvent aussi être utilisés comme matériaux de construction ou encore servir de matériaux combustibles pour produire de l’énergie.

Les minéraux métalliques Voir Les familles et les périodes du tableau périodique, p. 38.

308

Chapitre 2 Terre et espace

Dans la nature, la plupart des éléments de la catégorie des métaux se combinent avec d’autres éléments, tels que l’oxygène (O) et le soufre (S), pour former des

minéraux métalliques. Par exemple, le fer, le métal le plus utilisé dans le monde, se présente souvent sous la forme d’oxydes de fer comme l’hématite (Fe2O3) et la magnétite (Fe3O4), qui renferment jusqu’à 70 % de fer. Les principaux métaux exploités au Québec sont l’or, le fer, le cuivre et le zinc (voir le tableau 11). Tableau 11 Des minéraux métalliques exploités au Québec Composition chimique

Métal extrait (teneur en métal du minéral)

Or natif

Au

Or (élément pur)

Joaillerie, monnaie, électronique

Abitibi

Hématite

Fe2O3

Fer (70 %)

Acier, acier inoxydable

Côte-Nord (MontWright, dans la ville de Fermont)

Chalcopyrite

CuFeS2

Cuivre (35 %)

Fil électrique, plomberie

Abitibi

Sphalérite

ZnS

Zinc (65 %)

Acier, laiton

Abitibi

Minéral

Principaux usages

Principaux gisements au Québec

Figure 106 La chalcopyrite est le principal minerai de cuivre.

Les minéraux industriels Les minéraux industriels sont recherchés pour leurs caractéristiques physiques ou chimiques. Plus d’une cinquantaine de minéraux industriels sont utilisés dans le monde. Parmi ceux qui sont exploités au Québec, il y a l’amiante, le graphite, la silice et le sel (voir le tableau 12). L’amiante a longtemps été le principal minéral industriel produit au Québec (voir la figure 107). En raison de sa toxicité, plusieurs pays interdisent son usage. Son utilisation mondiale tend donc à diminuer. Figure 107 Lorsqu’elles sont respirées, les fibres d’amiante peuvent causer des maladies pulmonaires et des cancers. Tableau 12 Des minéraux industriels exploités au Québec Composition chimique

Minéral

Principales caractéristiques

Principaux usages

Principaux gisements au Québec

Amiante chrysotile

Mg3Si2O5OH4

Fibreux et résistant au feu

Isolant thermique, vêtement résistant au feu

Chaudière-Appalaches (Thetford Mines), Estrie (Asbestos)

Graphite

C

Tendre, flexible, inerte, conducteur et résistant à la chaleur

Fonderie, lubrifiant, garniture de freins, crayon à mine

Laurentides (lac des Îles, MontLaurier)

Ilménite (minerai de titane)

FeTiO3

Source de titane pur (pigment blanc et inerte)

Peinture, vernis, papier, plastique

Côte-Nord (lac Tio, HavreSaint- Pierre)

Quartz (silice)

SiO2

Stable et transparent

Verre, céramique, fibre de verre, silicone, abrasif

Montérégie, Laurentides, Charlevoix, Témiscamingue

Halite (sel de table)

NaCl

Soluble dans l’eau

Soude, déglaçage des routes, conservation des aliments

Îles-de-la-Madeleine (mine de sel)

Talc (stéatite ou pierre à savon)

Mg3Si4O10(OH)2

Mou et friable

Lubrifiant, craie, sculpture

Gaspésie, Estrie, ChaudièreAppalaches, Abitibi, péninsule d’Ungava

Section 4 La lithosphère

309

Les matériaux de construction La fermeture de la ville minière de Gagnon Au Québec, l’exploitation minière permet de créer de nombreux emplois. Plusieurs villes ont été fondées lors de l’ouverture de mines. Ce fut le cas de la ville minière de Gagnon, située sur la Côte-Nord, au nord de BaieComeau. La ville a été fondée en 1960 par une entreprise minière, à la suite de la découverte d’importants gisements de minerai de fer. En 1961, l’extraction du fer dépasse un million de tonnes par année. En 1984, le cours du fer chute sur les marchés boursiers, la crise frappe l’économie de la Côte-Nord et la compagnie minière ferme ses portes. Les résidants de Gagnon sont sans emploi. À la fin de l’année 1984, la ville est fermée, puis rasée.

Voir Les ressources énergétiques de la lithosphère, p. 323.

Certaines roches et certains agrégats de minéraux sont utilisés en tant que matériaux de construction. Ce sont des roches à l’état brut ou peu transformées telles que le calcaire, le granite, le sable et le gravier (voir le tableau 13). Ces agrégats sont surtout employés comme pierres de taille (granite) ou pour fabriquer du ciment (calcaire) et du béton (sable et gravier). Tableau 13 Les minéraux et les agrégats qui servent de matériaux de construction (au Québec) Roche

Nature de la roche et composition minérale

Calcaire

Roche sédimentaire, composée principalement de calcite (CaCO3)

Ciment, béton, chaux (agriculture, épuration des eaux, maçonnerie)

Granite

Roche ignée très dure, composée de quartz, de feldspath, de hornblende et de mica

Pierre de taille, construction, sculpture

Sable, Grains plus ou moins gros, qui proviennent du gravier et concassage de roches ou de dépôts sédimenargile taires

Principaux usages

Béton, brique, lit de gravier pour voies de chemin de fer, construction de routes

Les matériaux combustibles Certaines substances minérales sont exploitées comme matériaux combustibles pour produire de l’énergie. Il s’agit principalement des combustibles fossiles tels que le charbon et le pétrole. Ces composés organiques fossiles proviennent de la transformation naturelle, pendant des millions d’années, de matière organique, d’origine végétale ou animale, ensevelie dans les profondeurs du soussol. On exploite également, dans certains pays comme le Canada, la pechblende (UO2), un minéral radioactif aussi appelé « uraninite ». La pechblende est la principale source d’uranium qui permet de produire de l’énergie nucléaire.

L’exploitation des gisements de minerai L’extraction du minerai se fait dans des mines souterraines ou des mines à ciel ouvert. Les mines souterraines sont constituées d’un puits vertical qui permet de faire descendre les mineurs et la machinerie à de grandes profondeurs et de transporter le minerai en surface. Des galeries horizontales donnent accès au minerai. Des foreuses mobiles sont utilisées pour détacher la roche. Dans les mines à ciel ouvert, la couche supérieure du sol et des roches non minéralisées est retirée jusqu’à ce que le minerai soit atteint. Celui-ci est alors extrait à l’aide de grosses pelles mécaniques, puis transporté par camion ou par convoyeur. Figure 108 L’extraction du minerai de cuivre dans une mine souterraine.

310

Chapitre 2 Terre et espace

Les sables bitumineux et la déforestation boréale Au Canada, le sous-sol de la forêt boréale abrite de nombreuses ressources minérales. Pour exploiter ces ressources, il faut souvent creuser des mines à ciel ouvert qui détruisent de grandes surfaces de forêts. Par exemple, le sous-sol de l’Alberta est très riche en sables bitumineux (voir la figure 109). On peut extraire du pétrole de ces sables bitumineux. Comme le prix du pétrole monte depuis plusieurs années, l’exploitation de ces sables est devenue rentable et s’est donc intensifiée. Pour avoir accès aux sables bitumineux, de grandes étendues de forêts sont déboisées. Le développement de ces Figure 109 Une mine à ciel ouvert, en mines à ciel ouvert pourrait entraîAlberta, où sont extraits les sables bitumineux. ner, au cours des prochaines années, la destruction de plusieurs milliers de kilomètres carrés de forêts, l’émission de quantités très importantes de gaz à effet de serre et la contamination de la nappe d’eau souterraine.

Les engrais minéraux Les engrais minéraux sont des produits d’origine minérale. Ces engrais sont des compléments d’éléments nutritifs tels que l’azote (N), le phosphore (P) et le potassium (K), qui améliorent la croissance des plantes et les rendements agricoles. Ils proviennent de l’industrie chimique ou de l’exploitation de gisements naturels de minerais, comme la potasse et le phosphate (voir la figure 110). La potasse est un mélange de chlorure de potassium (KCl) et de carbonate de potassium (KCO3). Le minerai de phosphate est une roche à base de phosphate de calcium (Ca3(PO4)2). L’utilisation intensive de ces minerais et des engrais ainsi produits peut avoir des répercussions néfastes sur l’environnement et la santé humaine.

Figure 110 Un engrais qui provient de l’industrie chimique.

Section 4 La lithosphère

311

CONCEPT

4.2 Les horizons du sol

ST

STE

SE

Les horizons du sol sont les différentes couches du sol qu’on distingue par leur épaisseur et leur composition.

mère Roche à partir de * Roche laquelle se développe un sol.

Le sol se compose d’un mélange de matières minérales, de matières organiques en décomposition (appelées « humus »), d’eau et d’air. Sous l’action du climat, de l’érosion, des végétaux et des microorganismes, le sol se forme lentement sur la roche mère , parfois pendant des centaines ou des milliers d’années.

*

4.2.1

Voir Les minéraux, p. 306. Voir La dynamique des écosystèmes, p. 377.

La formation et l’évolution du sol

ST

STE

SE

Divers processus, tels le ruissellement, le vent, le gel, le dégel et des transformations chimiques, désagrègent lentement la roche mère pour former des débris, de plus petites particules (blocs de pierre, sable, argile, limon) et des minéraux. Puis, le sol s’enrichit progressivement d’humus grâce à l’action des décomposeurs (bactéries, champignons, invertébrés) qui transforment les végétaux morts. Le sol se forme ainsi de matériaux d’origines minérale et organique qui se mélangent et se disposent en différentes couches parallèles. On appelle ces couches des « horizons » (voir la figure 111).

Horizons Sol

Roche mère

prim

aire Sol

jeun

20

e

40

Roche mère fissurée

Sol mûr

Roche mère altérée

60 80 100 cm

Figure 111 Sous l’action du climat, de l’érosion, des végétaux et des microorganismes (sol primaire), la roche mère se fissure (sol jeune) et le sol s’enrichit d’humus. Le sol s’épaissit progressivement pour se profiler en différents horizons (sol mûr).

4.2.2

Le profil du sol

ST

STE

SE

Le profil du sol est l’ensemble des horizons qui composent un sol. Le nombre d’horizons, leur épaisseur, leur couleur et leur composition varient selon la nature des roches qui composent le sol. Ce nombre varie également selon les conditions climatiques, les végétaux et les autres organismes vivants présents, l’âge et le relief du sol.

312

Chapitre 2 Terre et espace

Généralement, on distingue quatre principaux horizons. Par convention, on les désigne par les lettres O, A, B et C, de la surface au soussol (voir la figure 112). L’horizon O correspond à la couche superficielle d’humus et de débris végétaux. En surface, le sol peut être recouvert d’une litière, composée principalement de débris de matières végétales (feuilles, branches cassées, bois mort et déjections animales). Ces débris se décomposent et se transforment en humus sous l’action des décomposeurs, de la température et de l’humidité du sol. L’humus est donc riche en éléments nutritifs. L’infiltration des eaux de pluie entraîne ces éléments nutritifs vers l’horizon suivant. L’horizon A, également appelé terre arable, est composé d’un mélange d’humus et de particules de roches. Sa couleur est généralement foncée ou noire. Cette couche est la plus exposée aux transformations biologiques et à l’érosion. Son aération est assurée par certains insectes et rongeurs, et les vers en particulier qui y creusent des galeries. Riche en matières organiques et en minéraux, cette couche est très importante pour la croissance des végétaux. L’horizon B est très pauvre en humus, mais il contient davantage d’éléments minéraux et de plus grosses particules de roches. Il est généralement de couleur plus pâle ou de couleur rouille. C’est une zone plus profonde où s’accumulent des particules provenant des horizons supérieurs.

Horizon O Horizon A

Horizon B

Horizon C

Roche mère

Figure 112 Le profil du sol est constitué d’une succession de couches appelées « horizons ».

L’horizon C est constitué de fragments de roches, partiellement altérés, et il ne renferme pas de matières organiques. Il repose sur un socle de roche mère non altérée, appelé le « substratum rocheux ». Il peut être sableux, argileux ou dur.

La charrue Depuis les débuts de l’agriculture, l’être humain se sert de charrues pour labourer les champs. Cet outil permet d’ameublir la terre arable et de la préparer à l’ensemencement. Bien que la charrue se soit modernisée au fil du temps, son principe de fonctionnement reste le même. Le soc, une pièce métallique en forme de « bec de canard », amorce le sillon. Le versoir rejette sur le côté la terre sillonnée par le soc. L’age (ou la haie) relie les différentes parties du châssis de la charrue. Dans de nombreux pays, les charrues sont encore tirées par des animaux comme le bœuf, le cheval et le mulet. Les charrues modernes sont tirées par de puissants tracteurs.

Figure 113 Une charrue moderne.

Section 4 La lithosphère

313

CONCEPT

4.3 La capacité tampon du sol

STE

SE

La capacité tampon du sol, également appelée le « pouvoir tampon », est la capacité des sols à résister à des variations de pH. Voir L’échelle pH, p. 82.

Voir La neutralisation acidobasique, p. 102.

Le pH d’un sol mesure son degré d’acidité ou de basicité. Il dépend de la teneur du sol en dioxyde de carbone (CO2), en sels minéraux et en matières organiques. Le pH joue un rôle essentiel dans l’activité microbiologique du sol, dans l’approvisionnement des plantes en eau et dans l’absorption des nutriments par les racines. Un sol neutre, dont le pH est compris entre 6 et 7, favorise généralement la croissance des plantes. Un sol acide est un sol où il y a une diminution de l’activité microbiologique et de la croissance des végétaux. Les sols peuvent s’acidifier naturellement, sous certaines conditions climatiques. Selon leur composition et leur nature minérale, les sols ont la capacité de répondre aux changements de pH et de neutraliser l’acidité. Cette réaction chimique se nomme l’effet tampon. Par exemple, un sol calcaire contient une bonne proportion de carbonate de calcium (CaCO3), un minéral basique. Il est donc en mesure de neutraliser chimiquement les acides. Les variations de pH, dans ce type de sol, sont alors moins importantes.

Les pluies acides et la capacité tampon du sol

Voir Les horizons du sol, p. 312.

La résistance des sols aux pluies acides varie selon leur composition. Les sols formés sur les roches granitiques et métamorphiques du Bouclier canadien sont particulièrement vulnérables aux pluies acides. En raison de leur faible couche de matières organiques (horizon O) et de leur pauvreté en minéraux basiques, ils présentent un faible pouvoir tampon qui ne parvient pas à neutraliser les dépôts acides issus des pluies. Ces dépôts appauvrissent les sols en éléments nutritifs, tels le calcium (Ca) et le magnésium (Mg), et provoquent une hausse de leur concentration en aluminium (Al), élément toxique pour de nombreux organismes vivants. Affaiblis, les arbres poussent moins vite et sont plus sensibles aux maladies et aux attaques des insectes. Dans certaines provinces du Bouclier canadien (l’Ontario et le Québec), la croissance et la productivité des forêts de conifères sont en péril (voir la figure 114).

Capacité tampon des sols Capacité tampon très affectée Capacité tampon affectée Capacité tampon peu affectée Bonne capacité tampon

Figure 114 Dans plusieurs régions du sud-est du Canada, les sols forestiers ont perdu une partie de leur capacité de neutraliser les dépôts acides. Source : ENVIRONNEMENT CANADA, Service canadien des forêts, Centre de foresterie de l’Atlantique.

314

Chapitre 2 Terre et espace

CONCEPT

4.4 L’épuisement des sols

STE

L’épuisement des sols correspond à une perte des matériaux et des éléments nutritifs des sols, qui diminue leur fertilité. Il existe trois principaux facteurs d’épuisement des sols : l’érosion par l’eau (érosion hydrique) et le vent (érosion éolienne), et les processus de dégradation physique et de dégradation chimique. Lorsque les sols sont le support d’une végétation dense, ils sont généralement bien protégés de l’érosion hydrique et de l’érosion éolienne. Par contre, lorsque la végétation disparaît, les sols sont exposés au ruissellement accru des eaux de pluie et à l’action des vents qui les érodent. Il s’ensuit une perte de matériaux et d’humus riche en éléments nutritifs (horizons O et A). Ces sols peuvent alors se dégrader rapidement et devenir infertiles.

Voir Les horizons du sol, p. 312.

Le compactage des sols, ou leur tassement, entraîne la dégradation physique des sols, puisque cela diminue leur porosité et leur aération. Ainsi, les sols absorbent moins d’eau provenant des précipitations ou du ruissellement, les horizons se dégradent et la fertilité des sols est réduite. La dégradation chimique des sols a lieu lorsqu’il y a acidification ou salinisation des sols (accumulation de sels), ce qui ralentit la formation de l’humus par les organismes vivants du sol. La dégradation chimique est aussi causée par la contamination des sols due à diverses substances toxiques provenant des activités humaines. Plusieurs pratiques agricoles et forestières ainsi que l’urbanisation favorisent l’épuisement des sols. L’épuisement des sols entraîne une diminution de leur fertilité et peut conduire, sous certaines conditions climatiques (telle une sécheresse prolongée), à la désertification. Près des deux tiers des sols de la planète sont dans un état de dégradation moyenne ou avancée. Près du tiers des sols risquent la désertification (voir la figure 115).

Voir La contamination des sols, p. 318.

Sols stables et terres sans végétation Sols moyennement dégradés Sols très dégradés (risque de désertification)

Équateur

Figure 115 La dégradation des sols dans le monde. Section 4 La lithosphère

315

La dégradation des sols forestiers La déforestation est une cause majeure d’épuisement des sols, puisque la présence d’une abondante couverture végétale protège les sols contre l’érosion. En effet, les racines des végétaux retiennent les particules de sol et contribuent à la stabilité des horizons. La présence d’humus favorise la porosité des sols et limite le ruissellement.

Figure 116 Un sol écrasé par le passage de camions et de tracteurs.

Les sols déboisés subissent une érosion importante sous l’action des eaux de pluie et des vents, ce qui entraîne une perte de matière organique dans leurs horizons supérieurs. Dans certains cas, l’humus est rapidement délogé. Il ne reste alors que la roche mère altérée, un milieu difficile pour la reprise de la végétation. Sur certains sols tropicaux, l’exposition au soleil du sol dénudé et l’érosion provoquent la formation de croûtes très dures qui empêchent toute régénération. La récolte du bois mort et le compactage du sol dû au passage répétitif de marcheurs ou de camions contribuent aussi à l’épuisement des sols forestiers (voir la figure 116).

L’étalement des grandes villes Partout dans le monde, la superficie des villes ne cesse de croître. En Amérique du Nord et en Europe, cette expansion est attribuable, en grande partie, à la « popularité » de la maison individuelle. Depuis les années 1950, on a construit de nombreuses maisons dans les banlieues des villes, maisons qui occupent de deux à cinq fois plus de terrain que les habitations des centres-villes. Bien souvent, la construction de ces quartiers résidentiels empiète sur les terres agricoles (voir la figure 117 ). D’ailleurs, près du quart des meilleures terres agricoles canadiennes se situent dans un rayon de 80 km autour des grandes villes.

Figure 117 Une vue aérienne d’un ensemble résidentiel.

316

Chapitre 2 Terre et espace

La dégradation des sols cultivés Les sols sont une ressource essentielle à l’agriculture. Toutefois, les pratiques agricoles modernes constituent un facteur important d’épuisement des sols. Dans les pays tempérés, le labourage intensif, surtout mécanique, le broutage excessif de l’herbe par les troupeaux (le surpâturage) et le défrichage des haies sur les terres agricoles exposent la terre arable aux vents et aux pluies, ce qui favorise l’érosion. Les sols s’appauvrissent en minéraux et en matières organiques. L’appauvrissement des sols entraîne alors une utilisation massive d’engrais. Dans les pays tropicaux, la conversion des terres déboisées en terres agricoles peut accélérer la dégradation des sols. La carence de certains sols forestiers en éléments nutritifs, l’absence de fertilisation, les cultures sur brûlis et le surpâturage épuisent rapidement les sols. Les terres sont alors abandonnées. Comme il n’y a plus de végétation, l’érosion s’accélère et accroît les risques de désertification (voir la figure 118).

*

Méthode de déboisement par * Brûlis laquelle les arbres sont coupés, puis brûlés sur place.

Figure 118 La dégradation des sols cultivés et l’absence de pluies régulières peuvent conduire à la désertification.

Sous les climats arides où l’évaporation est forte, une irrigation massive combinée avec un drainage inadéquat des sols peut aussi conduire à l’accumulation de sels dans les horizons supérieurs des sols, les rendant impropres à toute culture. La dégradation des sols cultivés et la désertification compromettent la disponibilité des ressources alimentaires. Si aucune mesure n’est prise, près du tiers de la population mondiale pourrait subir les conséquences d’une pénurie de produits agroalimentaires d’ici les prochaines décennies.

Section 4 La lithosphère

317

CONCEPT

4.5 La contamination des sols

STE

SE

La contamination des sols est l’apport de substances nocives, provenant principalement de l’activité humaine, qui modifient l’équilibre des sols. Pollution atmosphérique entraînée au sol par les pluies

Les sols sont contaminés directement par des déversements de produits toxiques ou indirectement par la pollution atmosphérique (smog, Contaminants poussières industrielles, volcanisme, radioactifs pluies acides ou pluies radioacÉpandage tives). Selon leur nature, les contad’engrais et de minants peuvent être dégradés par pesticides Ruissellement les microorganismes, s’entasser urbain dans le sol ou être dirigés vers d’autres systèmes de la biosphère Ruissellement (l’atmosphère et l’hydrosphère). agricole Ainsi, les contaminants s’infiltrent en profondeur dans le sol ; ils sont entraînés par les eaux de pluie vers les cours d’eau et les nappes souterraines ; ils sont transportés dans Contamination due aux Infiltration des contaminants l’air par le vent (voir la figure 119). sites d’enfouissement organiques et inorganiques Ils peuvent donc être absorbés par les végétaux, se répandre dans les Figure 119 Les contaminants du sol, peu importe leur provenance, contaminent également chaînes alimentaires et contaminer l’hydrosphère et l’atmosphère. l’ensemble des organismes vivants, y compris les êtres humains. Les effets des contaminants sur les sols dépendent Voir L’écotoxicologie, p. 383. non seulement de leur composition chimique, mais aussi de la nature des sols. Pluies acides

On distingue trois principaux types de contaminants des sols : les contaminants organiques, qui contiennent du carbone, les contaminants inorganiques, qui n’en contiennent pas, et les contaminants radioactifs.

4.5.1

Voir Le traitement des eaux usées, p. 506.

Les contaminants organiques

Chapitre 2 Terre et espace

SE

Les contaminants organiques comprennent à la fois les microorganismes (bactéries, virus, parasites) et les matières organiques mortes, les hydrocarbures (pétrole et dérivés) et les produits organiques persistants (POP) comme les solvants et les pesticides. Les microorganismes et les matières organiques mortes qui proviennent du fumier, du lisier ou des boues d’épuration sont habituellement dégradés assez rapidement par l’environnement. Ils peuvent donc s’y incorporer facilement, sauf s’ils sont répandus en très grandes quantités.

Figure 120 Les pesticides contaminent les sols et les cours d’eau.

318

STE

Les contaminants organiques les plus nocifs sont les produits organiques persistants (POP). Ceux-ci se dégradent difficilement et peuvent persister dans les sols pendant des décennies (voir la figure 120). Leurs résidus sont généralement toxiques pour la flore et la faune du sol (certains insectes et les vers de terre). Entraînés par le ruissellement des eaux de pluie, ces résidus de pesticide contaminent les cours d’eau et les nappes souterraines.

4.5.2

Les contaminants inorganiques

STE

SE

Les contaminants inorganiques sont principalement des métaux lourds tels que le plomb (Pb), le mercure (Hg), le zinc (Zn), le cadmium (Cd), le nickel (Ni) et l’arsenic (As). Ils proviennent des sites d’enfouissement des déchets domestiques et industriels (voir la figure 121), des sites d’extraction de minerais et de pétrole, de l’épandage d’engrais ainsi que de la pollution atmosphérique (smog, gaz d’échappement des voitures, etc.). Bien que certains de ces métaux soient essentiels au développement des êtres vivants, ils deviennent nocifs lorsque leur concentration est trop élevée. Ils peuvent affecter la fertilité et l’activité biologique des sols lorsqu’ils s’y accumulent.

4.5.3

Les contaminants radioactifs

STE

Figure 121 Un site d’enfouissement de déchets industriels.

SE

Les contaminants radioactifs proviennent particulièrement des centrales nucléaires et résultent d’accidents. Des déchets radioactifs mal entreposés ou des déversements de produits radioactifs en lien avec des installations militaires (réacteurs de sous-marins nucléaires, missiles démantelés, etc.) sont à l’origine de tels accidents (voir la figure 122). Une grande partie des éléments radioactifs est rapidement absorbée par les végétaux. La matière organique produite par les plantes contamine ensuite les horizons du sol. Ces contaminants se propagent facilement dans la chaîne alimentaire et compromettent ainsi la santé des organismes vivants en provoquant des malformations, des mutations génétiques et des cancers.

Figure 122 L’entreposage de déchets faiblement radioactifs (États-Unis). Voir La radioactivité, p. 121. Voir Les horizons du sol, p. 312.

Le mercure des sols forestiers d’Amazonie Les terres de la forêt amazonienne renferment naturellement du mercure (Hg), un métal toxique pour les organismes vivants. Celui-ci provient des éruptions volcaniques et s’accumule dans les sols forestiers depuis des milliers d’années. Grâce au couvert forestier, il reste sous une forme relativement immobile et inoffensive pour les organismes vivants. Toutefois, le déboisement par brûlis (voir la figure 123) libère le mercure et favorise son ruissellement vers les cours d’eau où il est transformé en une forme beaucoup plus toxique, le méthylmercure (CH3Hg+).

Figure 123 Le déboisement par brûlis, en Amazonie (Amérique du Sud). Les arbres sont coupés, puis brûlés sur place.

Section 4 La lithosphère

319

La contamination due aux composantes électroniques De nombreux déchets enfouis ou stockés dans des décharges peuvent contaminer les sols. C’est le cas des appareils électroniques usagés comme les ordinateurs et les téléphones cellulaires. Leurs composantes électroniques et leurs piles renferment des métaux lourds tels que le plomb (Pb), le mercure (Hg) et le cadmium (Cd). Sous l’action de la pluie, ces substances peuvent s’infiltrer plus en profondeur dans les sols et contaminer les cours d’eau et les nappes souterraines. Des entreprises et des centres spécialisés dans la récupération et le recyclage des composantes d’appareils électroniques emploient certains procédés qui permettent d’extraire les métaux. On peut alors réutiliser ces métaux dans la fabrication de nouvelles piles ou encore d’acier inoxydable.

Figure 124 Le recyclage des composantes électroniques (circuits imprimés et circuits intégrés) permet de récupérer, entre autres, des métaux lourds.

La contamination des sols cultivés

biologique des * Certification productions alimentaires Certification qui assure qu’un produit a été cultivé ou transformé sans qu’on ait eu recours aux engrais chimiques, pesticides (fongicides, herbicides et insecticides), antibiotiques, phytohormones de synthèse, agents de conservation, colorants et autres additifs alimentaires, et sans que ce produit ait été soumis à l’irradiation et à la transformation génétique.

320

Chapitre 2 Terre et espace

En raison des épandages réguliers de fumier, de pesticides et d’engrais, les sols cultivés sont les plus exposés aux contaminations. Les pesticides, ou leurs résidus, et les métaux lourds peuvent être absorbés par les plantes cultivées et rendre celles-ci impropres à la consommation. Certains pesticides, comme les insecticides organochlorés (le D.D.T., le lindane), restent dans les sols pendant plusieurs années. Au Canada, la plupart de ces insecticides ont été interdits dans les années 1970. Bien que de nouveaux pesticides moins persistants que les organochlorés soient désormais utilisés, leurs résidus sont fréquemment détectés dans des productions de fruits et de légumes, ce qui peut représenter un danger pour la santé humaine. C’est pourquoi la certification biologique des productions alimentaires exige habituellement que les plantes soient cultivées sur des sols n’ayant pas subi de traitements de pesticides pendant plusieurs années.

*

CONCEPT

4.6 Le pergélisol

Pergélisol continu

ST

Pergélisol étendu

STE

Pergélisol sporadique

Le pergélisol est la partie du sol et du soussol qui est gelée en permanence pendant au moins deux années consécutives.

OCÉAN PACIFIQUE Himalaya

Le pergélisol est présent dans les régions froides, près des pôles, et en altitude, au sommet de certaines montagnes. Il occupe actuellement 20 % environ des terres émergées de la planète, principalement dans le nord de l’Amérique, au Groenland et en Sibérie (voir la figure 125). Selon la latitude, du nord vers le sud, la superficie du pergélisol varie. Le pergélisol peut être continu (100 % du sol est gelé), étendu (de 50 à 90 % du sol est gelé) ou sporadique (de 10 à 50 % du sol est gelé). Il se forme sous la surface terrestre lorsqu’un sol se refroidit suffisamment durant l’hiver pour que le gel persiste pendant la période estivale. Son épaisseur varie. Elle est de 30 cm dans les zones les plus au sud et atteint plus de 1 000 m au nord, dans certaines régions de la Sibérie. Le pergélisol est surmonté d’une couche superficielle, qu’on appelle « couche active » ou mollisol, qui dégèle en été (voir les figures 126 a et b).

Russie

Alaska (É.-U.)

OCÉAN ARCTIQUE Pôle Nord Finlande

Groenland

Canada

Norvège Islande Alpes

OCÉAN ATLANTIQUE

Figure 125 Dans l’hémisphère Nord, le pergélisol se répartit autour de l’océan Arctique. Il occupe près de la moitié du territoire canadien.

0

0 Mollisol Plafond du pergélisol

Sol gelé (100 %)

Pergélisol

Plafond du pergélisol (limite supérieure du pergélisol)

2 Profondeur (m)

Profondeur (m)

2

4

Mollisol

4

Sol gelé (de 50 à 90 %) Pergélisol

6

6

8

8

Figure 126 a Une vue en coupe d’un pergélisol continu.

Figure 126 b Une vue en coupe d’un pergélisol étendu. Section 4 La lithosphère

321

Voir Les biomes terrestres, p. 330.

L’épaisseur du mollisol varie de quelques centimètres à quelques mètres, selon la latitude et les conditions climatiques. C’est sur le mollisol que pousse la toundra, une végétation rase et parsemée (voir la figure 127).

Figure 127 La fonte du mollisol entraîne la formation de nombreux lacs, car le pergélisol, qui est imperméable, empêche l’eau de s’infiltrer en profondeur.

La fonte du pergélisol due au réchauffement climatique

Des maisons sur pilotis Au Nunavik (Québec) et au Nunavut (Canada), de nombreux villages sont construits sur des zones de pergélisol. Il a donc fallu adapter les normes de construction des habitations et des infrastructures pour tenir compte de la « sensibilité » du pergélisol aux variations de température. La construction de maisons sur des chevalets montés sur des dalles épaisses ou des pieux est efficace, car l’air circule sous la structure. La température du sol étant ainsi maintenue au même niveau que celle de l’air, le sol ne dégèle pas.

Selon certains modèles simulant l’évolution des climats, la moitié du pergélisol de la planète pourrait fondre d’ici 2050. Dans les régions plus au sud, de larges zones de pergélisol pourraient disparaître. La limite du pergélisol remonterait ainsi de plusieurs centaines de kilomètres vers le nord. Déjà, dans plusieurs régions du Grand Nord canadien, la fonte du pergélisol met en péril l’existence de certains villages. Lorsque ce sol fond, ses propriétés se modifient. Le sol gorgé d’eau prend davantage de volume et devient beaucoup plus instable. Son dégel peut alors provoquer des glissements de terrain ou des inondations, déstabiliser les fondations des bâtiments, détruire les routes, les pistes d’aéroport et les oléoducs (voir la figure 128). Les paysages et l’ensemble de l’écosystème pourraient ainsi se transformer rapidement. On assisterait à la migration ou à la disparition de certaines espèces et au déplacement de plusieurs communautés humaines.

Figure 128 Un glissement de terrain dû à la fonte du pergélisol.

Figure 129 Au Nunavut, il a fallu préserver les bâtiments de la fonte du pergélisol.

322

Chapitre 2 Terre et espace

Lorsque le sol s’est refroidi, il y a quelques milliers d’années, il a emprisonné une quantité importante de méthane (CH4) et de matières organiques qui provenaient de gigantesques tourbières. La fonte du pergélisol pourrait laisser s’échapper le méthane dans l’atmosphère et favoriser la décomposition rapide de la matière organique enfouie. Le méthane étant un gaz à effet de serre 21 fois plus puissant que le dioxyde de carbone (CO2), sa libération dans l’atmosphère pourrait accélérer le réchauffement climatique.

CONCEPT

4.7 Les ressources énergétiques de la lithosphère ST STE ATS

Les ressources énergétiques de la lithosphère sont les énergies fossiles, les combustibles radioactifs et la géothermie. La lithosphère renferme trois grands types de ressources énergétiques. Les combustibles fossiles produisent de l’énergie thermique lors de leur combustion. Les combustibles radioactifs produisent de l’énergie nucléaire lors de leur désintégration. Enfin, la chaleur issue des profondeurs de la Terre et du sol produit l’énergie géothermique. Si les combustibles fossiles et radioactifs sont des ressources énergétiques non renouvelables et polluantes, la géothermie est, quant à elle, une source d’énergie renouvelable.

4.7.1

Les énergies fossiles

ST

STE

ATS

Les principaux combustibles fossiles sont le pétrole, le gaz naturel et le charbon. Ce sont tous des composés organiques fossilisés dont la teneur en carbone (C) est très élevée. Le pétrole et le gaz naturel se sont formés pendant des millions d’années grâce à la fossilisation de divers organismes tels que les animaux, les plantes, les algues et le plancton, enfouis dans le sous-sol des continents et des planchers océaniques sous l’accumulation de sédiments. Ces combustibles sont extraits par forage (voir la figure 130) ou par transformation de sables bitumineux. Quant au charbon, il résulte uniquement de la fossilisation de végétaux. Il est extrait des mines souterraines ou des mines à ciel ouvert. La formation des combustibles fossiles, qui s’échelonne sur des millions d’années, explique pourquoi ces énergies sont non renouvelables.

Figure 130 Une plate-forme pétrolière en haute mer.

La chaleur produite lors de la combustion du pétrole, du charbon et du gaz naturel peut être utilisée directement pour chauffer, actionner des moteurs ou produire de l’électricité dans des centrales thermiques. Les combustibles fossiles assurent plus de 80 % des besoins énergétiques mondiaux et sont à la base du développement économique des sociétés industrielles. Le pétrole fournit à lui seul près de 40 % de l’énergie consommée dans le monde dont, après raffinage, la presque totalité des carburants utilisés dans les transports (essence, kérosène, mazout). Le charbon est à la base de la production de 40 % de l’électricité mondiale.

Figure 131 Une mine de charbon, en Chine.

L’exploitation, le transport et la combustion des énergies fossiles sont une source majeure de pollution de l’environnement et de gaz à effet de serre. Selon certains experts, les réserves mondiales de pétrole et de gaz naturel pourraient s’épuiser au cours du 21e siècle. Les réserves de charbon pourraient subsister pendant un ou deux siècles (voir la figure 131).

Voir La contamination atmosphérique, p. 264. Voir L’effet de serre, p. 243.

Section 4 La lithosphère

323

4.7.2 Voir Les minéraux, p. 306.

Voir La fusion et la fission nucléaires, p. 127.

Voir La contamination des sols, p. 319.

L’énergie nucléaire

ST

STE

ATS

Les combustibles radioactifs, principalement l’uranium (U), sont issus de minéraux radioactifs tels que la pechblende (UO2). Les roches du Bouclier canadien en renferment de grandes quantités ; le Canada est l’un des principaux producteurs d’uranium au monde. Ce métal lourd et radioactif est extrait du minerai et est utilisé dans les centrales nucléaires. Quoiqu’on emploie l’expression « combustibles radioactifs », l’énergie nucléaire n’est pas produite par la combustion, mais plutôt par la fission nucléaire de l’uranium qui sert à produire de la vapeur, puis de l’électricité. La fission est réalisée au sein de réacteurs nucléaires. Ce type d’énergie est utilisé principalement aux États-Unis, en Europe, au Japon, en Corée et au Canada. Bien qu’elle n’émette pas de gaz à effet de serre (GES), l’énergie nucléaire génère des déchets radioactifs très dangereux, comme le plutonium, qui demeurent radioactifs pendant des dizaines de milliers d’années. L’entreposage sécuritaire de ces déchets est un défi majeur pour les pays qui ont opté pour cette ressource énergétique.

4.7.3

La géothermie

ST

STE

ATS

La géothermie est l’énergie issue de la chaleur interne de la Terre. Cette chaleur provient de la chaleur du magma et de la radioactivité naturelle des roches. Comme la température du sous-sol de la croûte terrestre augmente avec la profondeur, en moyenne de 3 °C par 100 m, l’eau qui s’y trouve est plus chaude et elle est constamment réchauffée par des remontées de magma (voir la figure 132). Pour produire de l’électricité, on peut se servir directement des vapeurs chaudes pressurisées dont la température est supérieure à 150 °C. Cette géothermie de haute énergie est présente uniquement dans les régions volcaniques ou les régions situées à la frontière de plaques tectoniques, comme la Californie et l’Islande (voir la figure 133).

Figure 132 L’eau chauffée en profondeur peut rejaillir naturellement en surface, en formant des geysers et des sources chaudes (parc national de Yellowstone, aux ÉtatsUnis).

Il est également possible d’exploiter la différence de température entre l’air et le sol réchauffé par le rayonnement solaire. Le sol est alors utilisé comme source d’énergie. C’est ce qu’on appelle la « géothermie de très basse énergie ». La température du sol, en profondeur, reste relativement stable au cours des saisons, de 5 à 10 °C à quelques mètres de profondeur.

Figure 133 En Islande, le chauffage, l’eau chaude et l’électricité proviennent essentiellement de la géothermie.

324

Chapitre 2 Terre et espace

En hiver, le sol est plus chaud que la température extérieure. Des thermopompes peuvent alors être utilisées pour extraire la chaleur du sol et chauffer des bâtiments résidentiels et industriels (voir la figure 134). En été, on extrait plutôt la chaleur de l’air intérieur et on la transfère dans le sol. Cette technologie est particulièrement efficace dans les régions nordiques comme le Québec, où la différence entre les températures hivernales et estivales est élevée.

Capteur horizontal Thermopompe (1 m de profondeur)

Capteur vertical (entre 30 et 100 m de profondeur)

Figure 134 La géothermie de très basse énergie est aussi appelée « énergie du sol ». L’énergie du sol est absorbée par des capteurs horizontaux ou verticaux.

L’énergie de la biomasse végétale et la déforestation Les matières organiques d’origine végétale (la biomasse), telles que le bois et les huiles, peuvent servir de sources d’énergie. Dans certains pays en développement, une grande partie de la population n’a pas accès aux combustibles fossiles ni à un réseau électrique pour assurer ses besoins énergétiques élémentaires. Pour survivre, les populations doivent produire du charbon de bois. Pour ce faire, elles récoltent le bois mort (voir la figure 135), abattent des arbres ou encore brûlent des parcelles de forêts. Par ces pratiques, on accélère la déforestation et on intensifie l’épuisement des sols. Dans d’autres pays, comme la Malaisie et l’Indonésie, de grandes surfaces de forêt Figure 135 Dans certains pays en tropicale sont déboisées pour pouvoir y insdéveloppement, le bois à brûler fournit plus taller des plantations de palmiers à huile. des trois quarts de l’énergie consommée. Ces cultures sont destinées à produire des agrocarburants à base d’huile de palme, laquelle est extraite des noix du palmier. En raison du prix relativement élevé du pétrole, la demande d’agrocarburants est forte, ce qui favorise la déforestation et compromet la production alimentaire.

Section 4 La lithosphère

325

Pour faire le point

Les minéraux

ST

STE

SECTION

(pages 306 à 311)

ATS

1. a) Qu’est-ce qu’une structure cristalline ? b) Nommez cinq autres propriétés physiques ou chimiques qui permettent d’identifier et de classifier les minéraux. 2. a) Quelle est la différence entre la dureté et le trait de couleur d’un minéral ? b) Comment se nomme l’échelle utilisée pour évaluer la dureté d’un minéral ? c) Comment détermine-t-on la dureté d’un minéral par rapport à un autre ? 3. a) Qu’est-ce qu’un minerai ? b) Pour quelles utilisations l’être humain exploitet-il les minerais ? Nommez-en quatre.

Les horizons du sol

ST

STE

SE

(pages 312 et 313)

5. a) Comment appelle-t-on l’ensemble des horizons qui composent un sol ? b) Nommez les principaux horizons qu’on peut distinguer dans un sol. c) Quels sont les horizons riches en humus et les horizons riches en minéraux ?

La capacité tampon du sol

STE

SE

(page 314)

6. a) Qu’est-ce que la capacité tampon du sol ? b) Quel type de sol résiste le mieux à l’acidification ? Justifiez votre réponse. STE

(pages 315 à 317)

7. a) Quels sont les trois principaux facteurs d’épuisement des sols ? b) Expliquez brièvement comment chacun de ces facteurs dégrade les sols.

326

La lithosphère

8. a) Quelles activités humaines sont à l’origine de l’épuisement des sols ? b) Quelle peut être la conséquence ultime de l’épuisement des sols ?

La contamination des sols

STE

SE

(pages 318 à 320)

9. D’où proviennent les contaminants des sols ? 10. Nommez trois types de contamination des sols. Expliquez brièvement en quoi ils consistent.

Le pergélisol

ST

STE

(pages 321 et 322)

11. a) Dans quelles régions le pergélisol est-il présent ? b) Décrivez comment la superficie du pergélisol varie du nord au sud. 12. Qu’est-ce que le mollisol ?

4. a) Décrivez brièvement la formation d’un sol. b) Combien de temps le sol met-il à se former ?

L’épuisement des sols

4

Chapitre 2 Terre et espace

Les ressources énergétiques de la lithosphère ST

STE

ATS

(pages 323 à 325)

13. a) Quelles sont les trois principales énergies fossiles de la lithosphère ? b) Expliquez brièvement pourquoi les combustibles fossiles ne sont pas des énergies renouvelables. 14. a) Quel type d’énergie peut-on tirer de la pechblende (UO2) ? b) Quel est le principal problème que pose l’énergie nucléaire ? 15. a) Qu’est-ce que la géothermie ? b) Quel type de géothermie est le plus adapté au Québec ?

SECTION

Les minéraux

ST

STE

4

La lithosphère

ATS

Éléments ou composés chimiques qui entrent dans la composition des roches et des sols. • Les minéraux se caractérisent par des propriétés physiques et chimiques telles que la structure cristalline, la couleur, l’éclat, le clivage, la dureté, le trait de couleur, la densité, etc. • Les minéraux utiles aux besoins de l’être humain sont mélangés à d’autres minéraux dans la roche appelée « minerai ». Les minerais peuvent contenir : – des minéraux métalliques dont on extrait les métaux ; – des minéraux industriels (l’amiante, par exemple) ; – des matériaux de construction tels que des roches à l’état brut ou peu transformées ; – des matériaux combustibles qui fournissent de l’énergie.

Les horizons du sol

ST

STE

SE

Différentes couches horizontales du sol, caractérisées par leur épaisseur et leur composition. • L’ensemble des horizons qui composent un sol est le profil du sol. On distingue quatre principaux horizons : – en surface, l’horizon O est constitué de débris de végétaux et d’humus ; – l’horizon A, ou terre arable, est riche en humus et en minéraux ; – l’horizon B est très pauvre en humus, mais riche en minéraux et en particules de roches ; – l’horizon C est fait de fragments de roches, partiellement altérés, et il ne renferme pas de matières organiques.

La capacité tampon du sol

STE

SE

Capacité d’un sol à résister à des variations de pH. • La capacité tampon des sols dépend de la composition des sols et de leur nature minérale. • Les sols qui contiennent une bonne proportion de minéraux basiques peuvent neutraliser plus facilement les acides.

L’épuisement des sols

STE

Perte des matériaux et des éléments nutritifs des sols, qui diminue leur fertilité. • Les principaux facteurs d’épuisement des sols sont : – l’érosion par l’eau et le vent ; – le compactage (la dégradation physique) ; – l’acidification ou la salinisation (la dégradation chimique). • Les pratiques agricoles et forestières ainsi que l’urbanisation favorisent l’épuisement des sols.

Section 4 La lithosphère

327

La contamination des sols

STE

SE

Apport de substances nocives qui modifient l’équilibre des sols. • Les sols sont contaminés directement par des déversements toxiques ou indirectement par la pollution atmosphérique. • Selon leur nature, les contaminants peuvent être dégradés par des microorganismes, absorbés par les végétaux, entraînés vers les cours d’eau et les nappes souterraines ou transportés dans l’air par le vent. • Les principaux contaminants des sols sont : – les contaminants organiques (microorganismes, hydrocarbures, produits organiques persistants, etc.) ; – les contaminants inorganiques (métaux lourds) ; – les contaminants radioactifs.

Le pergélisol

ST

STE

Partie du sol et du sous-sol qui est gelée en permanence pendant au moins deux années consécutives. • Le pergélisol est présent uniquement dans les régions froides, près des pôles, et en altitude, au sommet de certaines montagnes. • Une couche active, appelée « mollisol », surmonte le pergélisol et dégèle en été.

Les ressources énergétiques de la lithosphère

ST

STE

ATS

Énergies fossiles, combustibles radioactifs et géothermie. • Les combustibles fossiles sont le charbon, le pétrole et le gaz naturel : – la combustion de ces composés organiques fossilisés produit la principale source d’énergie utilisée par l’être humain et libère des polluants dans l’atmosphère ; – les combustibles fossiles sont non renouvelables. • Les combustibles radioactifs produisent de l’énergie nucléaire lors de leur fission dans les réacteurs nucléaires. Ils génèrent des déchets radioactifs. • La géothermie est une énergie renouvelable, issue de la chaleur interne de la Terre : – la géothermie de haute énergie exploite les vapeurs chaudes du sous-sol de la croûte terrestre pour produire de l’électricité ; – la géothermie de très basse énergie utilise la différence de température entre l’air et le sol pour chauffer ou climatiser des bâtiments.

328

Chapitre 2 Terre et espace

SECTION

L

es régions climatiques de la Terre sont de grandes zones géographiques qui dépendent des trois systèmes de la biosphère : l’atmosphère, l’hydrosphère et la lithosphère. Chaque région climatique possède des conditions atmosphériques qui lui sont particulières, telles que la température et les précipitations. Ces conditions influent sur la distribution de l’ensemble des organismes vivants (végétaux, animaux et microorganismes) dans la biosphère.

5 Les régions climatiques

5.1 5.2 5.3

Les biomes terrestres . . . . . . . . . . . . . 330 ST

STE

Les biomes aquatiques . . . . . . . . . . . . 335 ST

STE

Les facteurs influençant la distribution des biomes . . . . . . . . . 340 ST

STE

ATS

Les biomes sont de vastes groupements d’organismes vivants qui occupent une région climatique et qui sont adaptés aux conditions qui y règnent. Les biomes terrestres, comme la taïga et la forêt tropicale, se distinguent principalement par le type de végétation qui prédomine. Les lacs et les océans constituent, quant à eux, des biomes aquatiques. Ils sont répartis dans l’hydrosphère selon des facteurs physicochimiques tels que la salinité et la température de l’eau, la vitesse du courant et la profondeur des eaux. Dans cette section, vous découvrirez les caractéristiques des biomes et les facteurs qui jouent un rôle dans leur distribution à l’échelle de la planète.

329

CONCEPT

5.1 Les biomes terrestres

ST

STE

Un biome terrestre correspond à une vaste communauté d’organismes vivants qui se répartissent dans une région climatique continentale. Sur les continents, on distingue de nombreux biomes terrestres. Parmi ceux-ci, on trouve la toundra, la taïga, la forêt tempérée, la prairie tempérée, la savane tropicale, le désert et la forêt tropicale (voir la figure 136). Groenland

Cercle polaire arctique

Toundra Taïga Forêt tempérée

Alpes

Prairie tempérée

Montagnes Rocheuses

Savane tropicale

Himalaya

Désert Forêt tropicale Équateur

Cordillère des Andes Cercle polaire antarctique

Antarctique

Figure 136 La distribution des principaux biomes terrestres.

La toundra

Figure 137 La toundra arctique en été.

Voir Le pergélisol, p. 321.

330

Chapitre 2 Terre et espace

La toundra est une végétation basse qui forme une large couronne autour du cercle polaire arctique. Elle se développe sur le pergélisol et elle est recouverte, près de 11 mois par année, par de la neige qui maintient les températures très froides. La présence du pergélisol ralentit le développement des plantes et la décomposition de la matière organique. La végétation se développe donc difficilement sur la mince couche de sol (environ 1 m) qui dégèle pendant l’été. La toundra se compose principalement de mousses, de lichens, d’herbes et d’arbustes rabougris (voir la figure 137). Elle abrite peu d’espèces animales. Toutefois, pendant la brève période estivale (de 20 à 30 jours), de nombreux animaux migrateurs viennent s’y reproduire (caribous, harfangs des neiges, oies des neiges) et certains insectes (mouches noires et moustiques) y pullulent. Parmi les animaux qui vivent en permanence dans la toundra, on trouve quelques mammifères adaptés au froid extrême tels que les bœufs musqués, les lemmings et les renards arctiques.

La taïga La taïga, aussi appelée « forêt boréale », est une forêt de conifères située au sud de la toundra. On la trouve en Amérique du Nord (Canada, Alaska) et en Eurasie (Sibérie, Scandinavie). Elle constitue l’un des principaux biomes terrestres de l’hémisphère Nord et elle représente plus de 25 % des forêts de la planète. Les hivers y sont très longs, froids et enneigés. Les étés courts et assez chauds favorisent la croissance des sapins et des épinettes (voir la figure 138). La forme conique de ces conifères permet aux branches de ne pas être brisées par le poids de la neige. On trouve aussi, dans la taïga, de rares feuillus (aulnes, bouleaux, peupliers). La forêt boréale est particulièrement sensible aux épidémies de défoliateurs (insectes qui se nourrissent des feuilles et des aiguilles des arbres) et aux feux de forêt d’origine naturelle. Plus diversifiée que la toundra, la taïga abrite plusieurs espèces de mammifères, des petits rongeurs (écureuils, suisses) aux grands herbivores (orignaux, caribous) et carnivores (renards, lynx, loups, ours).

Figure 138 La taïga en été.

La forêt tempérée La forêt tempérée est surtout présente dans l’hémisphère Nord, dans les régions aux saisons très contrastées où tombent régulièrement d’importantes précipitations sous forme de pluie ou de neige. Les hivers y sont plutôt doux et humides et les étés, assez chauds. La végétation de la forêt tempérée (voir la figure 139) est composée principalement de feuillus (bouleaux, chênes, peupliers, érables, etc.). Au nord de ce biome, les conifères (pins, sapins) se mélangent aux feuillus et forment la forêt mixte, comme celle qu’on trouve dans le sud du Québec. La forêt tempérée présente plusieurs couches (strates) végétales : près du sol, on trouve des plantes herbacées et des fougères, puis des arbustes et des arbres. Dans la riche litière entretenue par la chute anFigure 139 La forêt tempérée en automne. nuelle des feuilles, en automne, de nombreux champignons et des bactéries recyclent la matière organique. L’abondante végétation de la forêt tempérée favorise la présence de nombreuses espèces de mammifères herbivores, d’insectes et d’oiseaux. La plupart des forêts tempérées de la planète ont été défrichées ou aménagées pour le déveVoir Les horizons du sol, p. 313. loppement agricole et urbain.

Section 5 Les régions climatiques

331

La prairie tempérée La prairie tempérée est une vaste étendue d’herbes qu’on rencontre sous les latitudes moyennes, en Amérique du Nord, en Amérique du Sud et en Eurasie (voir la figure 140).

Figure 140 La prairie tempérée de l’Ouest canadien.

Ce biome est caractérisé par de longs hivers froids et des étés ponctués de périodes de sécheresse. La prairie est dominée par des plantes à fleurs. La rareté des arbres et des arbustes s’explique par le manque de précipitations, les feux fréquents et le broutage des grands herbivores (bisons, antilopes, cerfs). En raison de leurs sols riches et fertiles qui se régénèrent rapidement à la suite d’une sécheresse ou d’un feu, la plupart des prairies d’Amérique du Nord et d’Eurasie ont été converties en terres agricoles pour la culture des céréales ou l’élevage du bétail.

La savane tropicale

Figure 141 La savane africaine. Voir Le flux d’énergie émis par le Soleil, p. 234.

332

Chapitre 2 Terre et espace

La savane tropicale correspond aux vastes plaines semi-arides situées dans la zone intertropicale, en Afrique, en Amérique centrale et en Australie (voir la figure 141). Les précipitations sont très variables durant l’année : il y a une saison des pluies et une période de sécheresse. Pendant la saison pluvieuse, l’abondance des précipitations permet le maintien de certains arbres et arbustes (acacias, baobabs, eucalyptus) dispersés sur le territoire et la survie de nombreuses espèces animales (autruches, antilopes, girafes, lions, hyènes, etc.). Pendant la saison sèche, plusieurs espèces animales migrent vers des territoires plus humides pour pouvoir survivre.

Le désert Le désert est un milieu aride où la présence d’organismes vivants est rare en raison de la pauvreté du sol et du manque de précipitations. Ces conditions prévalent au niveau des tropiques où sont situés les grands déserts chauds (voir la figure 142 a), comme le Sahara (Afrique) et le Grand Désert de Sable (Australie). On trouve également ces conditions désertiques dans des régions plus froides, au nord et au sud de la zone intertropicale (voir la figure 142 b), comme le désert de Gobi (Asie) et le désert de Mojave (États-Unis). La température quotidienne du désert est très contrastée (journées très chaudes et nuits très froides). La végétation qui y survit est adaptée à la sécheresse. Elle est parsemée et sa densité dépend de la quantité d’eau disponible, de la force du vent et de la nature du sol. Cette végétation est généralement basse et possède des racines profondes et développées, un feuillage réduit ou transformé en épines et des tiges charnues (yuccas, cactus) où l’eau est stockée. La faune (scorpions, insectes, serpents, lézards, oiseaux coureurs, rongeurs, chameaux, antilopes, coyotes) est adaptée aux conditions désertiques et a développé une pigmentation claire de la peau ou du pelage, ainsi que des modes de vie nocturne et souterrain.

Figure 142 a Le Sahara.

Figure 142 b Le Grand Canyon délimite l’est du désert de Mojave.

La forêt tropicale La forêt tropicale s’étend près de l’équateur, dans la zone intertropicale, où la température est chaude et constante (de 25 à 30 °C en moyenne) tout le long de l’année et où les précipitations sont abondantes. En Amérique du Sud, les forêts tropicales d’Amazonie et de Guyane occupent près du tiers du continent. On trouve également d’importantes forêts tropicales en Asie du Sud-Est et en Afrique équatoriale. Les forêts tropicales humides abritent la plus grande diversité d’espèces animales et végétales de la planète, soit plus de la moitié des espèces connues (voir la figure 143 a, à la page 334). La biodiversité y est si élevée qu’on peut dénombrer, par exemple, jusqu’à 150 espèces différentes d’arbres par kilomètre carré de forêt.

Voir La dynamique des communautés, p. 374.

Section 5 Les régions climatiques

333

Voir La dynamique des communautés, p. 372.

Dans la forêt tropicale, la compétition entre les végétaux est très forte, puisque la lumière solaire est indispensable à leur croissance. La végétation y est dense et étagée (orchidées, plantes aériennes, lianes). À plus de 30 m de hauteur, l’ensemble des cimes des arbres forme la canopée, un écosystème particulier qui abrite plusieurs espèces animales (voir la figure 143 b). À l’opposé, le sol de la forêt tropicale est mince et pauvre, car la matière organique est rapidement décomposée et réutilisée par les végétaux. Les insectes forment la majorité des organismes vivants de ce biome, qui abrite aussi des reptiles (serpents, lézards), des amphibiens (grenouilles), des mammifères (paresseux, tapirs, pécaris, singes, pumas, tigres) de même qu’une grande diversité d’oiseaux (colibris, perroquets, toucans).

Figure 143 a La forêt tropicale.

Figure 143 b La cime des arbres de la forêt tropicale forme la canopée.

Les prairies qui remplissent les réservoirs à carburant En raison de leurs sols fertiles, la majorité des prairies et des forêts tempérées ont été converties en terres agricoles dans le but de nourrir les populations humaines. De nos jours, de nombreux pays s’orientent vers la production d’agrocarburants de façon à réduire leur dépendance au pétrole. Les agrocarburants sont des carburants produits à l’aide de diverses matières organiques, comme l’huile de canola (pour le biodiesel) et le sucre du maïs (pour l’éthanol). En plus de contribuer à la dégradation des écosystèmes naturels, la culture intensive de plantes destinées à produire des agrocarburants compromet l’accès à la nourriture des sociétés les plus pauvres. En effet, de plus en plus d’agriculteurs vendent la totalité de leur production agricole à l’industrie des agrocarburants. Ainsi, les réserves mondiales de céréales sont privées d’une partie des terres et des récoltes, ce qui fait augmenter la valeur des produits alimentaires.

334

Chapitre 2 Terre et espace

CONCEPT

5.2 Les biomes aquatiques

ST

STE

Un biome aquatique correspond à une vaste communauté d’organismes vivants qui se répartissent dans des étendues d’eau douce ou d’eau salée. On décrit les biomes aquatiques en fonction de leur salinité. Parmi les biomes aquatiques, on distingue les biomes marins, aussi appelés « biomes d’eau de mer », dont la salinité est d’environ 35 g/L (océans et mers) et les biomes dulcicoles (lacs et cours d’eau), aussi appelés « biomes d’eau douce » (voir la figure 144). Chacun de ces biomes abrite des espèces caractéristiques, adaptées à la salinité de l’eau. Toutefois, certaines espèces de poissons, comme les saumons, peuvent passer de l’eau salée à l’eau douce.

Voir La salinité, p. 281.

Biomes dulcicoles Lacs Cours d’eau, deltas et estuaires Biomes marins Zone littorale Récifs coralliens Zone pélagique océanique Équateur

Fonds abyssaux Zone néritique

Figure 144 La distribution des principaux biomes aquatiques.

5.2.1

Les biomes dulcicoles

ST

STE

Les biomes dulcicoles comprennent toutes les eaux courantes, stagnantes et continentales dont la salinité est généralement inférieure à 1 g/L. Ils occupent moins de 1 % de la surface de la planète, mais ils abritent une grande diversité d’espèces. Ils sont étroitement liés aux différents biomes terrestres dont ils sont voisins. Les biomes dulcicoles englobent les lacs, les terres humides, les cours d’eau ainsi que les deltas et les estuaires.

Voir Les biomes terrestres, p. 330.

Les lacs Les lacs sont de grandes étendues d’eau bordées par des terres. Ils se divisent en différentes zones en fonction de leur profondeur (voir la figure 145). La zone littorale est la partie peu profonde, proche des rives du lac. Diverses algues et plantes aquatiques, fixes ou flottantes, y vivent. L’eau de la zone superficielle, qui est éloignée des rives, est bien éclairée par la

Zone littorale

Zone superficielle Zone profonde

Figure 145 Le profil d’un lac.

Section 5 Les régions climatiques

335

lumière solaire. Elle abrite du plancton et de nombreux poissons. La zone profonde est obscure, froide et peu oxygénée. Elle est située sous la limite de pénétration de la lumière. De nombreux microorganismes et des invertébrés y décomposent la matière organique qui s’accumule au fond du lac. Dans les lacs des régions tempérées, des brassages saisonniers, à l’automne et au printemps (notamment lors de la fonte annuelle de la glace), assurent le mélange des eaux de surface et des eaux profondes. Les eaux de surface s’enrichissent alors de nutriments, qui remontent des fonds, et les eaux profondes s’oxygènent, ce qui permet aux poissons d’y vivre.

Les terres humides Les terres humides sont des étendues d’eau généralement stagnantes, très peu profondes, permanentes ou temporaires, telles que les marais et les tourbières (voir la figure 146). Zones de transition entre les biomes terrestres et les biomes aquatiques, les terres humides sont très riches et abritent de nombreux végétaux et animaux (oiseaux, amphibiens et insectes). Les terres humides jouent un rôle écologique important, puisqu’elles retiennent l’eau et la filtrent grâce à leur abondante végétation. Figure 146 Une tourbière.

Les cours d’eau Les cours d’eau sont caractérisés par leur flux d’eau ou « courant », dont la vitesse peut varier selon le relief, les conditions météorologiques et les saisons. Ils sont étroitement liés aux milieux terrestres qu’ils traversent. La flore et la faune qui y sont présentes varient selon la teneur des cours d’eau en nutriments, qui augmente d’amont en aval, et selon la vitesse du courant. Dans les eaux calmes, les communautés d’organismes vivants sont assez comparables à celles des lacs. Dans les eaux plus vives (voir la figure 147), la force du courant limite généralement la présence des végétaux et entraîne le plancton en aval. Certains poissons tels que les truites et les saumons, particulièrement bien adaptés, peuvent y nager à contre-courant.

Figure 147 La rivière Rupert, en Jamésie (Nord-du-Québec).

Les deltas et les estuaires Voir Les bassins versants, p. 278. Voir La salinité, p. 282.

336

Chapitre 2 Terre et espace

Situés à l’embouchure des fleuves, les deltas et les estuaires sont des zones de transition entre les biomes dulcicoles et les biomes marins. Leurs eaux saumâtres (mélange d’eau douce et d’eau salée), très riches en nutriments et en sédiments, constituent des zones d’alimentation et de reproduction pour de nombreuses espèces d’eau douce et d’eau de mer.

5.2.2

Les biomes marins

ST

STE

Les biomes marins regroupent les océans et les mers et ils couvrent près de 71 % de la surface de la Terre. La distribution des organismes marins dépend à la fois de la profondeur des eaux et de leur proximité avec les côtes. On distingue cinq zones principales : la zone littorale, la zone néritique, les récifs coralliens, la zone pélagique et la zone benthique (voir la figure 148).

La zone littorale Située à la frontière entre la terre et la mer, la zone littorale est soumise en permanence au flux et au reflux des marées ainsi qu’aux vagues (voir la figure 149). Cette zone est habitée, selon sa nature rocheuse, sableuse ou vaseuse, par des animaux fixés (moules, balanes) ou fouisseurs (vers, palourdes), par des algues fixes et des plantes semi-aquatiques.

Zone littorale Zone néritique

0 200 m 1 000 m

Eaux superficielles éclairées Zone pélagique océanique

Plateau continental Eaux profondes

5 000 m Zone benthique océanique 9 000 m Fonds abyssaux

Figure 148 Les biomes marins se divisent en plusieurs zones (les récifs coralliens ne sont pas représentés).

La zone néritique La zone néritique, ou eaux côtières, est constituée des eaux peu profondes (moins de 200 m) et éclairées, le long des côtes des continents. Cette zone repose sur le plateau continental, lequel peut être recouvert d’algues et d’herbes marines jusqu’à environ 100 m de profondeur (voir la figure 150). Enrichies de nutriments qui proviennent des continents, les eaux côtières sont particulièrement riches en plancton, en invertébrés (crabes, homards, calmars) et en poissons (harengs, sardines, morues). Elles constituent d’importantes zones de pêche, puisqu’elles renferment 90 % de toutes les espèces marines.

Figure 149 La zone littorale abrite une multitude d’algues et d’invertébrés marins (moules, étoiles de mer, éponges).

Voir Le système Terre-Lune, p. 237.

Figure 150 Les eaux éclairées de la zone néritique renferment 90 % des espèces marines. Section 5 Les régions climatiques

337

Les récifs coralliens

Voir La dynamique des communautés, p. 373.

Voir Les biomes terrestres, p. 333.

Dans les zones néritiques peu profondes et généralement chaudes, les récifs coralliens forment un biome distinct autour des îles volcaniques ou sur le plateau continental (voir la figure 151 a). Les récifs sont des structures calcaires sous-marines construites par les colonies de coraux, des invertébrés marins qui vivent en symbiose avec une algue microscopique. Constitués d’un squelette externe formé par l’accumulation de carbonate de calcium (CaCO3), les récifs coralliens représentent un site d’ancrage pour de nombreuses algues et un habitat pour une très grande diversité d’invertébrés et de poissons. Leur biodiversité exceptionnelle est comparable à celle des forêts tropicales humides (voir la figure 151 b).

Figure 151 a La Grande Barrière de Corail s’étend sur plus de 2 000 km au nord-est

Figure 151 b Un récif corallien.

de la côte australienne.

La zone pélagique océanique La zone pélagique océanique comprend l’ensemble du volume des eaux situées au large de la zone néritique. Représentant près de 90 % de toutes les eaux marines, elle ne renferme que 10 % des espèces marines. Celles-ci se concentrent principalement dans la zone éclairée, près de la surface, où croît le phytoplancton. Le phytoplancton de la zone pélagique océanique assure, à lui seul, près de 40 % de la photosynthèse de la biosphère (voir la figure 152). Les eaux obscures et profondes sont, quant à elles, peu fréquentées, mais certaines espèces de poissons peuvent y vivre ou y transiter.

La zone benthique océanique

Figure 152 Le phytoplancton est présent dans la zone pélagique océanique.

338

Chapitre 2 Terre et espace

La zone benthique océanique comprend tous les fonds marins qui s’étendent du plateau continental aux grandes profondeurs marines qu’on appelle « abysses ». La majeure partie des fonds océaniques se trouve au-dessous de 1 000 m de profondeur, dans l’obscurité totale. Les fonds abyssaux, qui reposent sur la croûte océanique, présentent un relief varié, constitué de plaines abyssales, de dorsales et de fosses. Ils sont recouverts d’une épaisse couche de sédiments et de boues.

Caractérisés par des températures froides (de 2 à 3 °C) et des pressions très élevées, les fonds abyssaux abritent des microorganismes et certains invertébrés adaptés à ces conditions extrêmes, qui se nourrissent principalement des détritus organiques provenant de la zone pélagique. Les sources hydrothermales sous-marines, situées sur les dorsales océaniques, cachent de riches écosystèmes spécifiques. Dans les profondeurs océaniques du Pacifique, comme celles de la dorsale des îles Galápagos, l’absence totale de lumière rend impossible toute photosynthèse. Pourtant la vie est capable de s’y développer. En 1977, une mission océanographique américaine a découvert, à 2 600 m de profondeur, toute une communauté insoupçonnée d’organismes vivant à proximité de sources chaudes et sulfurées (voir la figure 153).

REPÈRE

JACQUES-YVES COUSTEAU Océanographe (1910-1997)

Figure 153 Dans les abysses du Pacifique, un évent hydrothermal, aussi appelé « fumeur noir ».

La déforestation des mangroves Les mangroves sont des forêts qui se développent dans les zones littorales des mers tropicales (voir la figure 154). Situées à la frontière des biomes terrestres et marins, les mangroves constituent une protection naturelle contre l’érosion des côtes et les inondations dues aux tempêtes tropicales, aux cyclones et même aux tsunamis. Abritant une riche diversité d’espèces végétales et animales, elles représentent aussi des ressources en bois et en nourriture pour les populations côtières. Depuis les années 1980, près de 20 % de la superficie mondiale des mangroves a été défrichée. Les principales causes de la déforestation sont l’urbanisation des côtes, le tourisme, les élevages de crevettes et l’exploitation forestière. Les mangroves risquent de disparaître s’il y a une élévation du niveau de la mer due au Figure 154 Dans les mangroves, les palétuviers, arbres réchauffement climatique.

Jacques-Yves Cousteau est un officier de marine et un océanographe français. Co-inventeur du scaphandre autonome, en 1943, il est aussi un pionnier de l’exploration sous-marine. Commandant du bateau de recherche océanographique Calypso pendant plusieurs décennies, il a grandement contribué à faire connaître la biologie sous-marine en réalisant plus de 100 films documentaires. Produit en 1955, Le monde du silence fut le premier film à montrer des images en couleurs de la vie sous-marine. En 1981, Jacques-Yves Cousteau créa l’Équipe Cousteau, une fondation ayant la mission d’explorer et de protéger le monde marin. Voir Les cyclones et les anticyclones, p. 258.

adaptés au sol vaseux saturé d’eau salée, dominent .

Section 5 Les régions climatiques

339

CONCEPT

5.3 Les facteurs influençant la distribution des biomes ST

STE

ATS

Les facteurs influençant la distribution des biomes terrestres sont le climat, le relief, ainsi que la nature des roches et des sols des continents. Les facteurs influençant la distribution des biomes aquatiques sont les paramètres physicochimiques de l’eau, la profondeur, la proximité des biomes terrestres et le climat.

Voir Le flux d’énergie émis par le Soleil, p. 233 ; La circulation atmosphérique, p. 249; La circulation océanique, p. 284 .

De nombreux facteurs ont un effet sur la distribution des biomes dans la biosphère. La position géographique des biomes terrestres est principalement déterminée par le climat. Le climat résulte des variations de l’insolation, des circulations atmosphérique et océanique ainsi que des caractéristiques de la lithosphère (les reliefs, par exemple). À l’échelle de la planète, on distingue plusieurs climats : les climats tropical, sec, tempéré, froid et polaire (voir la figure 155).

Climat tropical Climat sec (ou aride) Climat tempéré Climat froid (ou boréal) Climat polaire

OCÉAN ATLANTIQUE

Courant chaud Courant froid

OCÉAN INDIEN OCÉAN PACIFIQUE

Figure 155 Les principaux climats du monde (carte simplifiée).

5.3.1

Voir Les biomes terrestres, p. 330.

Les facteurs climatiques

ST

STE

ATS

Les principaux facteurs climatiques sont l’ensoleillement, la température, les précipitations et les vents. En limitant ou en favorisant la présence des espèces végétales, chacun de ces facteurs influe sur la composition des biomes terrestres et sur leur distribution. La représentation graphique des températures et des précipitations moyennes des régions climatiques montre qu’il existe un lien entre les facteurs climatiques et la distribution des principaux biomes terrestres (voir la figure 156, à la page 341).

340

Chapitre 2 Terre et espace

Alors que les climats tropicaux, chauds et humides, présentent une végétation luxuriante de forêts, les climats secs et froids abritent une végétation plutôt basse et clairsemée. Désert

Température annuelle moyenne (°C)

30

Prairie tempérée et savane tropicale Forêt tempérée

Forêt tropicale

15

Taïga

0 Toundra -15 0

100

200

300

400

Précipitations annuelles moyennes (cm)

Figure 156 La végétation dominante des biomes terrestres est surtout liée aux températures et aux précipitations.

5.3.2

Les facteurs géographiques et géologiques

ST

STE

ATS

Les biomes terrestres sont généralement distribués dans la biosphère en fonction de la latitude, de l’équateur vers les pôles. Toutefois, la présence de grandes étendues d’eau (lacs, océans et mers) ainsi que des reliefs (montagnes Rocheuses, Himalaya) influent sur la circulation atmosphérique et, de ce fait, modifient la distribution des biomes. Par exemple, les côtes de la ColombieBritannique (dans l’ouest du Canada) sont exposées aux vents d’ouest dominants qui proviennent de l’océan Pacifique. Elles reçoivent donc beaucoup plus de précipitations que le versant est des montagnes Rocheuses, qui se trouve à l’abri des vents. Le climat plus humide de la côte ouest favorise la présence de grands conifères, alors que l’est des Rocheuses, qui jouit d’un climat plus sec, abrite une vaste prairie d’herbes (voir les figures 157 a et b).

Figure 157 a La forêt verdoyante du versant ouest des montagnes Rocheuses.

Voir La circulation atmosphérique, p. 266.

Figure 157 b Les plaines arides du versant est des montagnes Rocheuses.

Section 5 Les régions climatiques

341

À mesure qu’on s’élève en altitude, le climat devient plus froid, plus humide et plus venteux. De la base des montagnes jusqu’au sommet, on observe une succession de végétations qui correspondent globalement à celles rencontrées à différentes latitudes (voir la figure 158).

Glaciers et neiges éternelles

Toundra

Taïga Forêt tempérée Altitude

Forêt tropicale

Pôle

Cercle polaire

Tropique

Équateur

Latitude

Figure 158 La distribution des biomes terrestres en altitude et en latitude.

Voir Les minéraux, p. 306 ; Les horizons du sol, p. 312. Voir Les biomes aquatiques, p. 335.

5.3.3

Par exemple, en Gaspésie et dans la région de Charlevoix (Québec), plusieurs sommets atteignant ou dépassant les 1 000 m sont recouverts d’un type de végétation qui ressemble à celle de la toundra arctique, que l’on trouve aux latitudes polaires. Ce type de végétation se nomme « toundra alpine ». C’est également le cas des hauts sommets des régions tempérées et tropicales. Plus on se rapproche de l’équateur, plus l’altitude à laquelle les arbres ne peuvent plus pousser est élevée. La nature des roches, la texture et la structure des sols, particulièrement la teneur de ces derniers en minéraux et en humus, sont également des facteurs déterminants dans la croissance des végétaux et la distribution des biomes.

Les facteurs physicochimiques

ST

STE

ATS

La distribution des biomes aquatiques dans l’hydrosphère est déterminée principalement par des facteurs physicochimiques comme la salinité et la température de l’eau, la luminosité, la teneur en nutriments et en dioxygène (O2). Ces paramètres dépendent à la fois de la profondeur de l’eau, de la proximité des biomes terrestres et, dans une certaine mesure, du climat. Dans les océans, l’intensité de la lumière diminue avec la profondeur. Les organismes photosynthétiques (algues, phytoplancton), qui ont besoin d’une zone éclairée, doivent donc vivre à 200 m ou moins sous la surface de l’eau. Les eaux profondes, privées de lumière, restent très froides (environ 3 °C) et abritent peu d’organismes vivants, à l’exception de quelques espèces adaptées à la vie dans les fonds marins. Le phytoplancton, qui est à la base de la plupart des écosystèmes aquatiques, dépend pour vivre de la teneur de l’eau en nutriments, laquelle est étroitement liée à la proximité des biomes terrestres avoisinants. Ainsi, les lacs, les rivières, les estuaires et les zones littorales reçoivent des nutriments qui proviennent de l’érosion et du ruissellement du sol. La teneur en nutriments et en dioxygène (O2) est également liée aux variations saisonnières et climatiques qui assurent, dans les régions tempérées et froides, le brassage des eaux de certains lacs et des mers.

Voir Les glaciers et la banquise, p. 290.

342

Chapitre 2 Terre et espace

À la grandeur de la planète, on observe des variations des propriétés de l’eau, en particulier de la température de la surface qui est chauffée par le rayonnement solaire. On distingue ainsi les eaux tropicales chaudes, les eaux tempérées et les eaux polaires froides dont la surface peut se couvrir de glace (banquise) au cours

de l’hiver. À l’exception de certaines espèces spécialement adaptées aux eaux chaudes ou glaciales, les espèces marines peuvent facilement se déplacer d’une zone à l’autre.

Les effets du réchauffement climatique sur les biomes Étant donné que les températures et les précipitations sont les principaux facteurs qui influent sur la distribution des végétaux, des changements climatiques devraient affecter la répartition des biomes terrestres dans la biosphère. Selon les observations, les régions sèches connaissent des périodes de sécheresse de plus en plus marquées. C’est le cas, par exemple, des Prairies de l’Amérique du Nord où les sécheresses répétitives pourraient provoquer la désertification de ces grandes plaines. Sous l’effet du réchauffement des températures, la forêt boréale pourrait s’étendre vers le nord aux dépens de la toundra arctique (voir la figure 159). La limite des arbres, c’est-à-dire la latitude au-delà de laquelle ils ne peuvent plus pousser, progresserait de près de 400 km vers le nord. La migration vers le nord d’espèces végétales et animales et la prolifération d’espèces nuisibles aux forêts tempérées et boréales sont également à redouter. Enfin, l’élévation du niveau de la mer et l’augmentation des températures mettent en danger les récifs coralliens des eaux tropicales, l’un des biomes marins les plus riches et les plus productifs de la planète.

Changements de la végétation forestière arctique Russie

De la toundra vers les forêts clairsemées Des forêts clairsemées vers la taïga De la toundra vers la taïga

Alaska (É.-U.)

OCÉAN ARCTIQUE

Sans changement

Pôle Nord

Groenland

Norvège

Canada

Figure 159 Selon certaines prévisions scientifiques, un réchauffement global de 2°C pourrait accroître la surface forestière de l’Arctique de près de 60% d’ici 2050. Parallèlement, la surface de la toundra arctique serait réduite de 40%.

REPÈRE

LE CONSORTIUM OURANOS Créé en 2002, Ouranos est un consortium québécois de recherche pluridisciplinaire sur les changements climatiques. Regroupant près de 250 scientifiques qui proviennent de différentes institutions gouvernementales et universitaires, le consortium Ouranos tente d’évaluer les impacts potentiels des changements climatiques sur l’environnement, l’économie et la société québécoises. Il élabore également des scénarios détaillés, à l’échelle régionale, et des stratégies d’adaptation afin d’aider les institutions gouvernementales à prendre des décisions.

Section 5 Les régions climatiques

343

L’assèchement de la mer d’Aral

Voir La salinité, p. 281.

La mer d’Aral est un immense lac (mer intérieure) situé en Asie centrale, entre le Kazakhstan et l’Ouzbékistan. Dans les années 1950, ses principaux affluents ont été détournés pour irriguer les steppes (prairies asiatiques) et y cultiver du coton et du riz. Cette irrigation intensive a provoqué l’assèchement progressif de la mer d’Aral. Depuis 1960, la mer d’Aral a ainsi perdu près de 70 % de sa surface et ses côtes ont reculé de 80 km (voir la figure 160). En perdant près de 80 % de son volume d’eau, la mer a subi une augmentation de sa salinité, qui est passée de 11 g/L à plus de 30 g/L en moyenne. Cette salinité a détruit la presque totalité de la flore et de la faune marines. Le recul de la mer d’Aral a également modifié les nappes d’eau souterraine et libéré des contaminants qui étaient enfouis dans les sédiments. Cela a eu pour effet de dégrader la qualité de l’eau potable, provoquant de nombreuses maladies dans les populations locales. L’assèchement de la mer a aussi entraîné un changement du climat régional. La région, jadis fertile, reçoit maintenant moins de précipitations et se désertifie. Pour remédier à cette catastrophe écologique, on a entrepris, il y a quelques années, des travaux d’aménagement.

1977

1989

Figure 160 Le recul de la mer d’Aral, de 1977 à 2006.

Le Biodôme de Montréal Depuis 1992, le Biodôme de Montréal présente au public des représentations de quatre biomes terrestres et aquatiques des Amériques : la forêt tropicale, la forêt laurentienne, l’estuaire marin du Saint-Laurent et le monde polaire de l’Arctique et de l’Antarctique. Le maintien de plusieurs milliers d’espèces végétales et animales, caractéristiques de ces différents biomes, repose sur le contrôle permanent des conditions climatiques (luminosité, température, humidité de l’air) selon les saisons et des paramètres aquatiques des bassins (salinité, température, pH, teneur en dioxygène). L’éclairage d’appoint, le chauffage, l’arrosage, la circulation et la filtration des eaux sont réglés par ordinateur.

344

Chapitre 2 Terre et espace

Figure 161 Un secteur du Biodôme consacré à la forêt tropicale.

2006

Pour faire le point

Les biomes terrestres

ST

STE

(pages 330 à 334)

1. a) Nommez sept biomes terrestres. b) Lesquels de ces biomes trouve-t-on en Amérique du Nord ? c) Quel biome terrestre est aussi appelé « forêt boréale » ? 2. a) Quel type de végétation trouve-t-on dans la toundra ? b) Quel élément de la toundra limite le développement de la végétation ? 3. a) Dans quelles grandes régions la taïga apparaît-elle ? b) Quel type de végétaux et d’animaux y trouve-t-on ? 4. Qu’est-ce qui distingue une forêt mixte d’une forêt tempérée ? 5. Qu’est-ce qui différencie la prairie tempérée de la savane tropicale ? 6. Dans quelles régions les déserts sont-ils situés ? 7. a) Quel biome terrestre présente la plus grande diversité végétale et animale ? Expliquez votre réponse. b) Quels sont les deux biomes terrestres qui présentent la plus faible diversité végétale et animale ? Expliquez votre réponse.

Les biomes aquatiques

ST

STE

SECTION

5

Les régions climatiques

Les facteurs influençant la distribution des biomes ST STE ATS (pages 340 à 344) 12. a) Quels sont les principaux facteurs qui déterminent la distribution des biomes terrestres dans la biosphère ? b) De quels facteurs climatiques dépend principalement la distribution des biomes terrestres dans la biosphère ? c) Quel biome terrestre reçoit les précipitations moyennes les plus élevées ? 13. a) Nommez deux facteurs géographiques qui modifient la distribution des biomes terrestres. b) Expliquez brièvement comment se fait la distribution des biomes en altitude. 14. a) Quels sont les principaux facteurs qui déterminent la distribution des biomes aquatiques dans l’hydrosphère ? b) Est-ce que toutes les espèces marines demeurent toujours dans le même biome ? Justifiez votre réponse.

(pages 335

à 339) 8. Quels sont les deux grands types de biomes aquatiques ? 9. Pourquoi la zone néritique est-elle plus riche en espèces marines que les autres types de biomes aquatiques ? 10. Dans quelles régions les récifs coralliens se trouvent-ils généralement ? 11. Quel organisme vivant de la zone pélagique océanique assure, à lui seul, 40 % de la photosynthèse de la biosphère ?

Section 5 Les régions climatiques

345

SECTION

Les biomes terrestres

ST

5

Les régions climatiques

STE

Vaste communauté d’organismes vivants qui se répartissent dans une région climatique continentale. • La toundra : – climat très froid ; – végétation basse et clairsemée.

• La savane tropicale : – climat tropical semi-aride ; – étendue d’herbes, présence d’arbres et d’arbustes.

• La taïga : – climat froid ; – dominance des conifères.

• Le désert : – climat aride ; – végétation parsemée.

• La forêt tempérée : – quatre saisons distinctes ; – dominance des feuillus.

• La forêt tropicale : – climat chaud et humide ; – végétation dense et stratifiée.

• La prairie tempérée : – climat sec ; – étendue d’herbes.

Les biomes aquatiques

ST

STE

Vaste communauté d’organismes vivants qui se répartissent dans des étendues d’eau douce ou d’eau salée. • Les biomes dulcicoles comprennent les eaux courantes, stagnantes et continentales : les lacs, les terres humides, les cours d’eau, les deltas et les estuaires. • Les biomes marins regroupent les océans et les mers. Ils se divisent en zones : la zone littorale, la zone néritique, les récifs coralliens, la zone pélagique océanique et la zone benthique océanique.

Les facteurs influençant la distribution des biomes

ST

STE

ATS

Facteurs climatiques, géographiques, géologiques et physicochimiques qui déterminent la distribution des biomes terrestres et aquatiques. • Les facteurs influençant la distribution des biomes terrestres sont le climat, la latitude, la proximité des grandes étendues d’eau, le relief, l’altitude, la nature des roches et des sols. • Les facteurs influençant la distribution des biomes aquatiques sont la salinité de l’eau, sa luminosité, sa température, sa teneur en nutriments et en dioxygène (O2), sa profondeur, sa proximité avec les biomes terrestres et, dans une certaine mesure, le climat.

346

Chapitre 2 Terre et espace

SECTION

L

a biosphère est un système dynamique. Elle est composée d’éléments essentiels à la vie comme le carbone (C), l’oxygène (O), l’azote (N) et le phosphore (P). Présents chez les êtres vivants sous forme de molécules, ces éléments circulent à travers l’atmosphère, l’hydrosphère et la lithosphère et sont constamment recyclés. Le parcours de ces éléments dans la biosphère, entre les organismes vivants et leur environnement, s’appelle « cycle biogéochimique » parce qu’il implique à la fois des processus biochimiques et géologiques. C’est grâce à ces processus que s’établit un équilibre dans la biosphère.

6

Les cycles biogéochimiques

6.1 6.2 6.3

Le cycle du carbone . . . . . . . . . . . . . . 348 ST

STE

Le cycle de l’azote . . . . . . . . . . . . . . . 352 ST

STE

Le cycle du phosphore . . . . . . . . . . . . 355 STE

On distingue généralement les cycles gazeux, comme ceux du carbone et de l’azote, et les cycles sédimentaires, comme celui du phosphore, un élément peu mobile qui ne transite pas par l’atmosphère. Dans cette section, vous découvrirez comment ces trois cycles permettent de décrire les échanges entre les différentes composantes de la biosphère.

347

CONCEPT

6.1 Le cycle du carbone

ST

STE

Le cycle du carbone correspond à la circulation et aux échanges de carbone (C) entre les différentes composantes de la biosphère.

Voir L’effet de serre, p. 243.

Élément essentiel à toute forme de vie, le carbone est à la base des composés qui constituent les cellules des organismes vivants. Dans l’atmosphère, le carbone se trouve le plus souvent sous la forme de dioxyde de carbone (CO2), et il exerce une grande influence sur l’effet de serre et le climat de la planète. La lithosphère et l’hydrosphère forment les plus grands réservoirs naturels de carbone, grâce aux sédiments, aux roches (99,9 %) ainsi qu’aux océans. Le cycle du carbone fait intervenir des processus biochimiques rapides (photosynthèse et respiration) et des processus géochimiques lents (sédimentation et fossilisation) qui assurent le transit et le transfert du carbone entre les composantes de la biosphère (voir la figure 162).

Combustion et volcanisme Décomposition Compactage et fossilisation Photosynthèse Respiration

CO2

Respiration et fermentation

Atmosphère

Consommation CO + CH 2

4

Échanges gazeux (CO2) entre l’atmosphère et l’hydrosphère

Volcanisme

Phytoplancton

Microorganismes

Lithosphère

Combustibles fossiles Sédiments Roches carbonatées

Figure 162 Le cycle simplifié du carbone.

348

Chapitre 2 Terre et espace

Hydrosphère

Les processus biochimiques du cycle du carbone ST STE

6.1.1

Lors de la photosynthèse, sous l’effet du rayonnement solaire, les plantes, les algues et le phytoplancton absorbent le CO2 atmosphérique ou dissous dans l’eau et le transforment en matière organique (glucides) en produisant du dioxygène (O2). Les animaux obtiennent leur carbone en consommant des végétaux ou d’autres animaux alors que de nombreux microorganismes se procurent leur carbone en décomposant la matière organique morte.

Voir La photosynthèse et la respiration, p. 112.

À l’inverse de la photosynthèse, la respiration des organismes vivants dégage du CO2, de l’eau et de l’énergie. La majeure partie du carbone que ces organismes produisent est libérée dans l’atmosphère ou dans l’hydrosphère. Dans les sols et les sédiments des lacs et des océans, les microorganismes décomposent la matière organique en produisant du CO2. Toutefois, en l’absence de dioxygène, certaines bactéries peuvent aussi décomposer la matière organique par un certain type de fermentation qui dégage du méthane (CH4) et du dioxyde de carbone (CO2). La combustion attribuable aux incendies de forêts s’ajoute à la respiration et à la fermentation en dégageant du CO2. En l’absence d’activités humaines comme la déforestation, la quantité de carbone fixée à l’échelle de la planète par les organismes qui réalisent la photosynthèse s’équilibre avec celle qui est libérée par la respiration et la décomposition des autres organismes vivants.

6.1.2 ST

Les processus géochimiques du cycle du carbone STE

Des processus géochimiques assurent le transfert du carbone entre l’atmosphère, l’hydrosphère et la lithosphère. Le CO2 atmosphérique se dissout facilement dans l’eau, à la surface des océans. Les cours d’eau acheminent également jusque dans les océans des carbonates (CO32) provenant de l’érosion des roches continentales par le ruissellement des eaux. Une partie du carbone dissous retourne dans l’atmosphère. Le phytoplancton et d’autres organismes aquatiques (coraux, mollusques) en utilisent une autre partie pour fabriquer leur coquille ou leur squelette externe de carbonate de calcium (CaCO3). Lorsque ces organismes meurent, leurs restes se déposent et s’accumulent sur les fonds océaniques sous forme d’épais sédiments. Après plusieurs millions d’années, les sédiments se compactent pour former des roches sédimentaires comme le calcaire, puis ces roches sont ramenées à la surface par le mouvement des plaques tectoniques. Elles peuvent également rester enfouies dans les couches profondes des fonds océaniques pour se transformer, sous l’effet combiné de la chaleur et de la pression, en roches métamorphiques en produisant du CO2. Celui-ci est alors libéré dans l’atmosphère au cours des éruptions volcaniques. Dans les tourbières et les milieux humides, la matière organique végétale s’accumule progressivement et se transforme en tourbe (débris végétaux peu décomposés), puis avec le temps en combustibles fossiles (charbon, pétrole). De même, les matières organiques végétales et animales peuvent s’accumuler dans les sédiments sur les fonds des lacs et des océans et se transformer, après des millions d’années, en pétrole et en gaz naturel.

Voir Les ressources énergétiques de la lithosphère, p. 323.

Section 6 Les cycles biogéochimiques

349

Les perturbations humaines du cycle du carbone à l’origine de l’effet de serre et du réchauffement climatique

Voir L’effet de serre, p. 244.

Voir Les biomes terrestres, p. 330. Voir Le pergélisol, p. 321.

Depuis le milieu du 19e siècle, sous l’effet de l’industrialisation, de la déforestation et de la combustion des énergies fossiles (transport, production d’électricité, chauffage), la teneur en dioxyde de carbone (CO2) de l’atmosphère terrestre a augmenté de près de 30 % (voir la figure 163). Au tournant du 21e siècle, les activités humaines libèrent plus de carbone que les océans et les forêts ne peuvent en absorber et déséquilibrent le cycle naturel du carbone. L’excès de carbone atmosphérique est la première cause de l’effet de serre renforcé et contribue au réchauffement climatique. De plus, le réchauffement climatique accentue le déséquilibre du cycle du carbone et pourrait donc s’amplifier de lui-même. D’une part, l’élévation des températures accroît la décomposition de la matière organique. En particulier, dans la toundra, la fonte du pergélisol pourrait libérer beaucoup de CO2 et de méthane (CH4), car il en renferme d’importantes quantités. D’autre part, le réchauffement de l’eau diminue la solubilité du CO2 ainsi que la capacité des océans de l’emmagasiner.

CO + C H 2

CO2

4

Atmosphère

Extraction de pétrole et de gaz naturel

Hydrosphère

Lithosphère

Fossilisation

Combustion Fossilisation Respiration et fermentation

350

Chapitre 2 Terre et espace

Figure 163 Le déséquilibre du cycle du carbone causé par l’activité humaine.

L’enfouissement des déchets et des ordures ménagères L’enfouissement des déchets et des ordures ménagères dans les décharges publiques est une source de méthane (CH4), un gaz à effet de serre 21 fois plus puissant que le dioxyde de carbone (CO2). Ce gaz est produit par la décomposition (fermentation) de déchets organiques enfouis dans le sol (restes de nourriture, résidus de bois, vieux papiers, etc.). En raison de la croissance démographique et des habitudes de consommation, les émissions de méthane sont en constante augmentation. Toutefois, il est possible de capter ce gaz et de le brûler pour produire de l’électricité. Au Québec, plusieurs petites centrales produisent de l’électricité à partir de ce biogaz et contribuent ainsi à diminuer les rejets de méthane dans l’atmosphère (voir la figure 164).

Voir L’effet de serre, p. 243.

Figure 164 La centrale électrique du complexe environnemental de Saint-Michel, située dans l’ancienne carrière Miron à Montréal, est alimentée grâce au captage du méthane.

La bourse du carbone La bourse du carbone est un des moyens mis en place par les pays industrialisés pour tenter de réduire leurs émissions de carbone et d’autres gaz à effet de serre (GES). Il s’agit d’un marché de négociation et d’échange des droits et crédits d’émission de GES. Elle a pour objectif d’imposer des quotas d’émission aux entreprises et de les inciter à investir dans des technologies propres. Les entreprises qui dépassent les quotas fixés sont pénalisées, mais peuvent alors acheter des crédits. À l’inverse, les entreprises qui n’atteignent pas les quotas peuvent vendre leurs crédits d’émission sur le marché. Plusieurs marchés nationaux de ce type existent en Europe et aux ÉtatsUnis. Depuis 2008, le Canada y participe avec l’ouverture du marché climatique de Montréal.

Section 6 Les cycles biogéochimiques

351

CONCEPT

6.2 Le cycle de l’azote

ST

STE

Le cycle de l’azote correspond à la circulation et aux échanges d’azote (N) entre les différentes composantes de la biosphère. Voir Les gènes et les protéines, p. 391.

L’azote (N) est un constituant essentiel des protéines et des acides nucléiques comme l’ADN. Il est aussi un nutriment indispensable à la croissance des végétaux. L’atmosphère est la principale source d’azote puisque 78 % de l’air se trouve sous forme de diazote gazeux (N2). Toutefois, la plupart des organismes vivants ne peuvent pas utiliser cette forme d’azote. Le diazote gazeux doit être préalablement converti en ammonium (NH4), en nitrites (NO2) ou en nitrates (NO3) par certaines bactéries pour que les plantes, les algues et les microorganismes, puis les autres organismes vivants, comme les animaux et les êtres humains, puissent l’utiliser. Le cycle de l’azote peut être influencé par plusieurs facteurs comme la température, le taux d’humidité et le pH du sol.

Voir La dynamique des écosystèmes, p. 377. Voir La capacité tampon du sol, p. 314.

Le cycle de l’azote consiste en une série de processus, principalement biochimiques, auxquels participent différents types de microorganismes : la fixation du diazote gazeux, la décomposition et l’ammonification, la nitrification et la dénitrification. Ces processus se produisent tant en milieu terrestre qu’aquatique (voir la figure 165).

Décomposition et ammonification

N2

Dénitrification Fixation

N 2, N 2O

Nitrification

Atmosphère Phytoplancton

Consommation

Hydrosphère +

NH 4 

Sol

NO 3

Assimilation

Lithosphère

Fixation biologique bactérienne

Figure 165 Le cycle simplifié de l’azote.

352

Chapitre 2 Terre et espace

Microorganismes +

H NH 3, N 4



 NO 3 NO 2 ,

La fixation de l’azote La fixation de l’azote est un processus qui convertit le diazote gazeux (N2) de l’atmosphère en azote disponible pour les organismes vivants. Environ 60 % de la transformation de l’azote atmosphérique est réalisée par la fixation biologique bactérienne qui produit de l’ammoniac (NH3). Environ 15 % est causée par l’action des décharges électriques des orages qui produisent des nitrates (NO3). Le reste de l’azote fixé, soit une proportion d’environ 25 %, provient de l’industrie des engrais. Contrairement à la fixation du carbone atmosphérique, qui est réalisée par de nombreux organismes effectuant la photosynthèse, la fixation biologique Figure 166 Des bactéries fixatrices d’azote vivent en symbiose dans les racines des de l’azote n’est faite que par certains plantes légumineuses. types de bactéries (sol) ou les cyanobactéries (eau). Dans les racines des plantes de la famille des légumineuses Voir La dynamique des comme le haricot, la luzerne et le trèfle, des bactéries vivant en symbiose sur communautés, p. 373. les racines assimilent également l’azote atmosphérique (voir la figure 166).

L’ammonification et la décomposition L’ammonification est la transformation des molécules organiques azotées (par exemple les protéines) en ammoniac (NH3) ou, dans l’eau, en ammonium (NH4). Elle se produit lors de la décomposition des matières organiques par des microorganismes décomposeurs (bactéries et champignons). Les animaux excrètent également de l’ammoniac dans leurs déjections.

La nitrification La nitrification est la transformation de l’ammoniac (NH3) ou de l’ammonium (NH4) en nitrites (NO2) puis en nitrates (NO3). Les nitrates peuvent être directement absorbés par les racines des végétaux. La nitrification est rapidement réalisée par différents microorganismes et bactéries nitrifiantes du sol et de l’eau. Certains types de microorganismes transforment l’ammonium en nitrites alors que d’autres assurent la transformation des nitrites en nitrates.

La dénitrification La dénitrification est un processus qui transforme les nitrates (NO3) du sol ou de l’eau en diazote gazeux (N2) et en oxyde de diazote (N2O). Elle se produit sous l’action de certaines bactéries dénitrifiantes, généralement en l’absence de dioxygène (O2), dans des sols gorgés d’eau comme les tourbières et dans les boues profondes peu oxygénées des fonds des lacs et des océans.

Le procédé de Haber Le procédé de Haber est une réaction chimique qui permet de synthétiser de l’ammoniac (NH3) à partir du diazote gazeux (N2) et du dihydrogène (H2) provenant du gaz naturel. Ce procédé mis au point en 1909 par deux chimistes allemands, Fritz Haber et Carl Bosch, a été utilisé pendant la Première Guerre mondiale (1914-1918) pour produire des explosifs et des gaz de combat à partir de l’ammoniac. À la fin de la guerre, les entreprises ont exploité le processus industriellement pour produire des engrais azotés. La fabrication industrielle de ces engrais a grandement augmenté les quantités d’azote libérées dans la biosphère.

Section 6 Les cycles biogéochimiques

353

La réduction des oxydes d’azote

Voir La contamination atmosphérique, p. 265 ; L’ozone, p. 263.

Les centrales thermiques, les fours industriels et les incinérateurs à déchets libèrent dans l’atmosphère de grosses quantités d’oxydes d’azote (NOx). Ces gaz se forment lors de la combustion à haute température par réaction entre le combustible et l’air et sont rejetés dans l’atmosphère lorsqu’aucun procédé de récupération n’est utilisé (voir la figure 167). Les oxydes d’azote sont des polluants atmosphériques qui contribuent au smog et aux pluies acides. Toutefois, certains procédés industriels permettent de réduire leurs émissions. D’une part, on peut diminuer de 20 à 60 % leur formation en contrôlant les étapes de la combustion dans certains types de fours. D’autre part, plusieurs procédés industriels permettent de les réduire et de les transformer en diazote (N2) et en vapeur d’eau. Pour ce faire, de l’ammoniac (NH3) est généralement injecté avec de la vapeur d’eau dans les fumées ou dans le foyer de combustion à des températures élevées. Ces procédés Figure 167 La combustion des énergies permettent d’éliminer jusqu’à 90 % des fossiles et l’incinération des déchets dégagent oxydes d’azote rejetés par les industries et de grandes quantités d’oxydes d’azote qui l’incinération des déchets. déséquilibrent le cycle naturel de l’azote.

La réduction des engrais par la rotation des cultures

Voir L’effet de serre, p. 243. Voir L’eutrophisation, p. 295.

354

Chapitre 2 Terre et espace

L’utilisation excessive d’engrais azotés entraîne le rejet d’ammoniac (NH3), un polluant atmosphérique, et la formation d’oxyde de diazote (N2O), un puissant gaz à effet de serre (voir la figure 168). Ce gaz est en effet produit dans les sols par la dénitrification des surplus de nitrates (NO3) provenant des engrais. Le lessivage des surplus de nitrates contribue aussi à la contamination et à l’eutrophisation des eaux. Une meilleure gestion des terres, notamment par la rotation des cultures, peut aider à réduire les apports d’engrais. La rotation des cultures consiste à cultiver en alternance une série de plantes de familles différentes sur une même parcelle de terre selon un rythme régulier. Par exemple, l’alternance de céréales (blé, maïs) et de légumineuses (trèfle, luzerne) permet d’améliorer les ressources en azote du sol et de maintenir sa fertilité. En effet, la culture de légumineuses fixe l’azote et favorise la croissance des céréales (blé, orge, avoine, seigle, etc.). La rotation des cultures aide aussi à lutter contre les mauvaises Figure 168 L’épandage intensif d’engrais libère herbes et les ravageurs, et elle favorise la plus de composés azotés que les plantes cultivées stabilité des sols. ne peuvent en absorber.

CONCEPT

6.3 Le cycle du phosphore

STE

SE

Le cycle du phosphore correspond à la circulation et aux échanges de phosphore (P) entre les êtres vivants, l’hydrosphère et la lithosphère. Le phosphore (P) est un constituant essentiel des acides nucléiques (par exemple l’ADN), de certains lipides ainsi que des coquilles, des os et des dents de nombreux organismes vivants. Tout comme l’azote (N) ou le potassium (K), il est un élément nutritif essentiel pour les végétaux. Contrairement aux cycles du carbone et de l’azote, le cycle du phosphore est un cycle sédimentaire qui ne possède pratiquement pas de composante gazeuse et qui n’affecte donc presque pas l’atmosphère (voir la figure 169). L’essentiel du phosphore provient de l’érosion des roches sédimentaires (près de 100 % des réserves) qui en libère de petites quantités, sous la forme dissoute de phosphates (PO43) directement assimilables par les végétaux.

Consommation

Roches contenant du phosphore

Atmosphère Phytoplancton

Consommation

Hydrosphère PO43

Microorganismes Lithosphère

3 PO 4

ore hosph

de p oration Incorp roches s dans le

Absorption par les végétaux, le phytoplancton et les algues Décomposition Ruissellement et érosion

Figure 169 Le cycle simplifié du phosphore.

Formation de roches sédimentaires

Dans les écosystèmes terrestres, les phosphates dissous dans l’eau du sol sont absorbés par les plantes. Les animaux se les procurent en consommant les végétaux à travers les chaînes alimentaires. Ce phosphore est ensuite retourné au sol, soit directement par les déjections animales (urine et excréments), soit par la décomposition de la matière organique morte. Une partie du phosphore du sol est transportée par les eaux de ruissellement vers les océans. En milieu aquatique, une fraction du phosphore dissous est consommée par le phytoplancton et est ensuite utilisée par de nombreux organismes marins pour former leur squelette. L’autre fraction se dépose continuellement sur les fonds marins et se mélange aux sédiments. Pendant plusieurs millions d’années, ces sédiments s’accumulent et s’enfouissent dans les fonds océaniques pour se transformer en roches sédimentaires. Ils ressurgissent à la surface terrestre lors de soulèvements causés, en particulier, par le mouvement des plaques tectoniques.

Soulèvements géologiques Sédimentation

Voir La dynamique des écosystèmes, p. 377.

Section 6 Les cycles biogéochimiques

355

Les nuisances et la valorisation des lisiers de porc Les élevages industriels de porc génèrent de très gros volumes de lisiers dont la gestion est problématique. En effet, la teneur en phosphates des lisiers qu’on épand sur les terres agricoles, à titre d’engrais, est de trois à quatre fois supérieure aux besoins des plantes cultivées. Les surplus de phosphates sont entraînés vers les cours d’eau et les lacs où ils déclenchent la prolifération des cyanobactéries et l’eutrophisation. Dans le but de réduire cette pollution, de nouvelles technologies ont été élaborées afin de valoriser les déjections animales (lisiers et fumiers) par la production de biogaz. Composé de 60 à 70 % de méthane (CH4), ce biogaz peut être utilisé sur place comme combustible pour chauffer et éclairer les bâtiments agricoles. Les résidus de fermentation, riches en nutriments, sont ensuite faciles à transporter et peuvent servir à produire des engrais.

Voir L’eutrophisation, p. 295.

Pour faire le point

Le cycle du carbone

ST

STE

(pages 348 à 351)

1. a) Quels sont les deux principaux processus biochimiques qui caractérisent le cycle du carbone ? b) Quels gaz sont dégagés par un certain type de fermentation ? 2. Quels sont les deux principaux réservoirs de carbone de la biosphère et sous quelle forme trouve-t-on le carbone ? 3. Quel phénomène libère du CO2 dans l’atmosphère à la suite de la transformation de roches sédimentaires en roches métamorphiques ? 4. Quelles sont les principales sources d’émissions attribuables aux activités humaines qui déséquilibrent le cycle naturel du carbone ?

Le cycle de l’azote

ST

STE

(pages 352 à 354)

5. a) Quels sont les deux principaux processus naturels permettant la conversion du diazote gazeux (N2) de l’atmosphère en azote disponible pour les organismes vivants ?

356

Chapitre 2 Terre et espace

SECTION

6

Les cycles biogéochimiques

b) Quelle est la principale particularité des plantes de la famille des légumineuses comme le haricot, la luzerne et le trèfle ? 6. Qu’est-ce que la nitrification ? 7. a) Qu’est-ce que la rotation des cultures ? b) Nommez une plante qui peut être utilisée dans la rotation des cultures et expliquez en quoi sa culture peut s’avérer utile dans le cycle de l’azote.

Le cycle du phosphore

STE

(pages 355 et 356)

8. a) Pourquoi le cycle du phosphore est-il un cycle sédimentaire ? b) Quelle composante de la biosphère assure presque entièrement l’apport en phosphore ? 9. a) Quelle forme prend le phosphore une fois dissous ? b) Comment les animaux se procurent-ils le phosphore?

SECTION

Le cycle du carbone

ST

6

Les cycles biogéochimiques

STE

Circulation et échanges de carbone (C) entre les différentes composantes de la biosphère. • Les processus biochimiques du cycle du carbone sont les suivants. – La photosynthèse, sous l’effet du rayonnement solaire, permet aux végétaux d’absorber le carbone atmosphérique (CO2) et de le transformer en matière organique (glucides) en produisant du dioxygène (O2). – La respiration des êtres vivants dégage du CO2 qui est libéré dans l’atmosphère ou dans l’eau. – En l’absence de dioxygène (O2), certaines bactéries peuvent décomposer la matière organique par un certain type de fermentation qui dégage du méthane (CH4) et du dioxyde de carbone (CO2). • Les processus géochimiques du cycle du carbone sont : – les échanges gazeux de CO2 atmosphérique à la surface des océans et des cours d’eau ; – la sédimentation du carbonate de calcium (CaCO3) et sa lente transformation en roches sédimentaires et métamorphiques ; – les éruptions volcaniques qui libèrent du dioxyde de carbone (CO2) ; – l’accumulation progressive de la matière organique dans les tourbières et dans les fonds océaniques et sa transformation en combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel).

Le cycle de l’azote

ST

STE

Circulation et échanges d’azote (N) entre les différentes composantes de la biosphère. • La fixation de l’azote est un processus qui convertit le diazote gazeux (N2) en azote disponible pour les êtres vivants. Environ 60 % de la transformation de l’azote est causée par la fixation biologique bactérienne qui produit de l’ammoniac (NH3). • L’ammonification est la transformation des molécules organiques azotées (par exemple des protéines) en ammoniac (NH3) ou en ammonium (NH4+) sous l’action de microorganismes. • La nitrification est la transformation de l’ammoniac (NH3) ou de l’ammonium (NH4+) en nitrites (NO2) puis en nitrates (NO3) sous l’action de bactéries nitrifiantes. • La dénitrification est la transformation des nitrates (NO3) en en diazote gazeux (N2) et en oxyde de diazote (N2O). Elle se produit sous l’action de certaines bactéries dénitrifiantes.

Le cycle du phosphore

STE

Circulation et échanges de phosphore (P) entre les êtres vivants, l’hydrosphère et la lithosphère. • L’essentiel du phosphore provient de l’érosion des roches sédimentaires qui en libère de petites quantités, sous la forme dissoute de phosphates (PO43). • Dans les écosystèmes terrestres, les phosphates dissous dans l’eau du sol sont absorbés par les plantes. Les animaux se les procurent en consommant les végétaux à travers les réseaux alimentaires. • Les déjections animales et la décomposition de la matière organique morte libèrent des phosphates dans le sol et dans l’eau. • Une partie des phosphates se dépose au fond des océans et se transforme en roches sédimentaires au cours de lents processus géologiques.

Section 6 Les cycles biogéochimiques

357

358

SOMMAIRE

CHAPITRE

3

SECTION 1

L’écologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 SECTION 2

La génétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

UNIVERS VIVANT Le monde vivant, en constantes évolution et adaptation, compte aujourd’hui plus de 1 600 000 espèces connues qui se répartissent dans les mers et sur les continents. Avec les trois grands systèmes que sont l’atmosphère, l’hydrosphère et la lithosphère, les organismes vivants constituent ce qu’on appelle la biosphère, un ensemble complexe fait d’une multitude d’interactions qui permettent à la vie de se développer. Tout bouleversement de la biosphère, qu’il soit d’origine naturelle ou qu’il résulte des activités humaines, peut engendrer une suite de déséquilibres qui risquent de mettre en danger la chaîne alimentaire, la reproduction et même la survie de plusieurs espèces. Dans ce chapitre, vous aurez l’occasion de découvrir et d’approfondir les concepts en lien avec l’écologie et la génétique.

359

La diversité de la vie Les espèces et les populations La biosphère est constituée d’environ 1 600 000 espèces qu’on classe généralement en cinq règnes : les animaux, les végétaux, les champignons, les protistes et les monères. L’ensemble des individus d’une même espèce qui vivent dans un territoire donné forme une population.

Les champignons.

Les animaux.

Les végétaux.

Les protistes.

Les monères.

L’habitat et la niche écologique L’habitat est le milieu où une ou plusieurs espèces trouvent les conditions nécessaires à leur survie. Chaque espèce y occupe une niche écologique distincte qui dépend du rôle de l’espèce dans la chaîne alimentaire (producteur, consommateur ou décomposeur) et de la façon dont elle utilise les ressources du milieu.

Les terres humides et les lacs d’Amérique du Nord constituent l’habitat du castor du Canada.

L’adaptation physique et comportementale Les habitats peuvent être perturbés ou se modifier, ce qui amène les espèces à s’adapter pour assurer leur survie et leur reproduction. Chaque espèce développe, sur une longue période, des caractéristiques physiques (feuillage, bec, mâchoires, dents, pattes, plumage, fourrure, camouflage, etc.) adaptées à son milieu. Elle développe également des comportements (vie en grands ou en petits groupes, hibernation, etc.) qui facilitent sa vie dans son habitat.

360

Chapitre 3 Univers vivant

En hiver, la marmotte hiberne pendant plusieurs semaines pour pallier le manque de nourriture. De plus, sa fourrure brun roux lui permet d’échapper à ses prédateurs.

La perpétuation des espèces Les modes de reproduction asexuée La reproduction asexuée produit des individus identiques. Plusieurs espèces végétales, la plupart des champignons ainsi que les protistes et les monères ont un mode de reproduction asexuée. Ils se reproduisent par division cellulaire ou par bourgeonnement. Certains végétaux se reproduisent par marcottage ou par bouturage.

Les monères, comme les bactéries, se reproduisent par division cellulaire.

Les modes de reproduction sexuée La reproduction sexuée produit des individus différents. Chez les espèces animales et la plupart des espèces végétales, la reproduction s’effectue grâce à la fusion d’une cellule sexuelle mâle et d’une cellule sexuelle femelle. Chez les végétaux, il existe différents modes de reproduction sexuée. Les plantes à fleurs en sont un exemple. Certains champignons ont également un mode de reproduction sexuée. Chez les animaux, on trouve les espèces ovipares, vivipares et ovovivipares.

Certaines espèces de requins sont ovovivipares. Les femelles requins pondent des œufs qu’elles gardent à l’intérieur de leur corps jusqu’à leur éclosion.

Les gamètes Les gamètes sont les cellules sexuelles mâles et femelles des espèces qui se reproduisent de façon sexuée. L’ovule (le gamète femelle) et le spermatozoïde (le gamète mâle) s’unissent lors de la fécondation pour former un zygote, l’ovule fécondé.

Un ovule et des spermatozoïdes humains lors de la fécondation.

Rappel

361

Le maintien de la vie Les caractéristiques du vivant Tous les organismes vivants partagent un ensemble de caractéristiques qui les distinguent des non-vivants. Ils sont composés de cellules, qui sont les plus petites unités de la vie. Ils utilisent de l’énergie pour croître, se développer, vivre et se reproduire, et font des échanges avec leur milieu.

Des cellules végétales.

Les cellules animales et végétales, et la respiration cellulaire Les cellules animales et végétales ont des structures internes appelées « organites ». Chaque organite joue un rôle différent qui assure la survie de la cellule. Par exemple, le noyau contrôle l’ensemble des activités de la cellule et renferme les chromosomes. La respiration cellulaire permet à la cellule de transformer les éléments nutritifs en énergie.

Chloroplastes (exclusifs aux cellules végétales) Noyau

Paroi cellulosique (exclusive aux cellules végétales)

Cytoplasme

Extrants Intrants

Vacuoles

Dioxyde de carbone

Dioxygène Glucose

Cellule animale ou végétale

Eau

Membrane cellulaire

Réticulum endoplasmique

Énergie Les intrants et les extrants de la respiration cellulaire.

La photosynthèse Contrairement aux animaux, les végétaux produisent eux-mêmes leur nourriture par la photosynthèse. Cette fonction des végétaux leur permet de fabriquer du glucose à partir d’eau, de dioxyde de carbone et de l’énergie rayonnante du Soleil.

Mitochondries

Une cellule végétale.

Intrants Extrants

Dioxyde de carbone

Dioxygène Cellule végétale

Eau

Glucose Énergie rayonnante du Soleil Les intrants et les extrants de la photosynthèse.

362

Chapitre 3 Univers vivant

La division cellulaire Les chromosomes, les gènes et l’ADN Le noyau des cellules animales et végétales contient des chromosomes dont le nombre varie selon l’espèce. Le chromosome est une structure faite d’ADN, lequel est composé de molécules qui contiennent l’information génétique. L’ADN est formé de deux longues chaînes formant une double hélice et constituées de quatre bases azotées (nucléotides) : l’adénine (A), la thymine (T), la cytosine (C) et la guanine (G). Un gène est un segment d’ADN déterminant un caractère génétique particulier.

Cellule Chromosome Noyau

Double hélice d’ADN

Chaîne de bases azotées (nucléotides)

Base azotée (thymine)

La mitose

Cellule humaine diploïde (23 paires de chromosomes)

Les cellules des organismes vivants se reproduisent en se divisant en deux. La mitose est une division cellulaire qui produit deux cellules diploïdes génétiquement identiques à partir d’une seule cellule de départ (la cellule mère). Ce processus permet la multiplication des cellules et leur régénération.

2n Division de la cellule mère

2n

2n

Deux cellules diploïdes (23 paires de chromosomes chacune)

Le schéma simplifié de la mitose.

La méiose

Cellule humaine diploïde (23 paires de chromosomes) 2n

La méiose est à la base de la reproduction sexuée. C’est une division cellulaire qui permet d’obtenir quatre cellules sexuelles haploïdes génétiquement différentes de la cellule de départ et ne contenant que la moitié du bagage génétique de celle-ci.

1re division de la méiose

2n

2n

Deux cellules diploïdes (23 paires de chromosomes chacune) 2e division de la méiose

n

n

n

n

Quatre cellules haploïdes (23 chromosomes chacune)

Le schéma simplifié de la méiose.

Rappel

363

La diversité génétique La diversité génétique correspond à la variété des gènes parmi les individus d’une même espèce. Seules les espèces dont le mode de reproduction est sexué présentent une diversité génétique. C’est le processus de division cellulaire de la méiose qui en est responsable. Chaque individu de ces espèces est donc unique. La recombinaison génétique et les mélanges entre populations sont deux facteurs importants de la diversité génétique.

Les tissus, les organes et les systèmes Chez les organismes pluricellulaires, les cellules semblables forment des tissus qui s’assemblent pour former des organes. Ces derniers créent un ensemble appelé « système ». • Un tissu est un ensemble de cellules spécialisées qui ont la même structure et la même fonction. Par exemple, le tissu nerveux est composé de cellules nerveuses qui portent le nom de neurones. • Un organe est un ensemble de plusieurs tissus différents disposés selon une organisation précise et accomplissant des fonctions particulières. Par exemple, l’estomac est un organe composé de différents tissus qui assure en partie la transformation de la nourriture en vue de sa digestion. • Un système est un ensemble d’organes qui exécutent une tâche commune de façon coordonnée. Par exemple, le système digestif (bouche, pharynx, œsophage, estomac, intestin, foie, pancréas, etc.) a pour fonction de transformer la nourriture en particules assimilables par les cellules.

Un système (le système digestif).

364

Chapitre 3 Univers vivant

Un organe (l’estomac).

Un tissu (le tissu épithélial).

Une cellule.

SECTION

L

’écologie est la science qui étudie les relations entre les organismes vivants et les interactions entre ceux-ci et leur milieu. Les scientifiques ont défini plusieurs niveaux d’organisation des êtres vivants, dont les principaux sont l’individu, l’espèce, la population, la communauté, l’écosystème, le biome et la biosphère. La biosphère englobe l’ensemble des organismes vivants de la planète ainsi que les trois systèmes terrestres où la vie est possible, soit les basses couches de l’atmosphère, l’hydrosphère (les lacs, les cours d’eau et les océans) et la couche supérieure de la lithosphère (le sol). L’étude des facteurs écologiques permet de mieux comprendre quels impacts ont les activités humaines sur la biosphère, et particulièrement sur les organismes vivants. Dans cette section, vous découvrirez plusieurs aspects de la dynamique des populations, des communautés et des écosystèmes, le concept d’empreinte écologique ainsi que les mécanismes de contamination des écosystèmes.

1

L’écologie

1.1 1.2

L’étude des populations . . . . . . . . . . . 366 ST

La dynamique des communautés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 ST

1.3

STE

ATS

La dynamique des écosystèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 ST

1.4 1.5

STE

STE

ATS

L’empreinte écologique . . . . . . . . . . . 381 STE

L’écotoxicologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 STE

SE

365

CONCEPT

1.1 L’étude des populations

ST

STE

L’étude des populations est l’étude de la taille, de la densité et de la distribution des populations dans un territoire donné, ainsi que de leur évolution dans le temps. Une population est l’ensemble des individus d’une même espèce occupant un territoire donné à un moment donné. Une population peut être caractérisée à la fois par sa taille, sa densité, sa distribution sur le territoire et sa croissance dans le temps. Plusieurs facteurs écologiques influent sur les caractéristiques d’une population.

1.1.1 ST

Figure 1 L’échantillonnage par parcelles permet d’estimer la taille d’une population pour l’ensemble d’un territoire.

La taille des populations STE

La taille d’une population correspond au nombre total d’individus qui la composent. Différentes méthodes permettent de connaître la taille d’une population. On peut, par exemple, effectuer un comptage direct (recensement) de tous les individus présents dans un territoire. On peut également utiliser une méthode d’échantillonnage qui consiste à diviser le territoire en petites parcelles (voir la figure 1). Après avoir fait le recensement des individus sur quelques parcelles, on établit la moyenne du nombre d’individus par parcelle. On multiplie ensuite cette moyenne par le nombre de parcelles couvrant l’ensemble du territoire pour obtenir une estimation de la taille de la population.

On utilise l’équation suivante pour calculer, à l’aide de parcelles, la taille d’une population : Taille d’une population 

Nombre moyen d’individus par parcelle  Superficie totale du territoire Superficie d’une parcelle

L’exemple suivant montre comment on peut utiliser cette équation. Exemple A Une équipe de chercheurs doit estimer la taille de la population de cerfs de Virginie sur l’île d’Anticosti. En effectuant un comptage direct sur des parcelles d’une superficie de 8 km2, les chercheurs obtiennent une moyenne de 168 individus par parcelle. Quelle est la taille de la population de cerfs de Virginie sur l’île d’Anticosti sachant que l’île a une superficie totale de 7 900 km2 ? Données : Superficie d’une parcelle: 8 km2 Nombre moyen d’individus par parcelle: 168 Superficie totale du territoire : 7 900 km2 Taille de la population  ?

366

Chapitre 3 Univers vivant

Calcul:

Nombre moyen d’individus  Superficie totale par parcelle du territoire Taille de la population  Superficie d’une parcelle 168 individus  7 900 km2 8 km2 Taille de la population  165 900 individus Taille de la population 

Dans le cas d’espèces qui se déplacent beaucoup, comme les oiseaux migrateurs ou les lièvres, on utilise plutôt la méthode d’échantillonnage avec capturerecapture. Selon cette méthode, des individus sont capturés à l’aide de pièges, puis ils sont marqués au moyen d’une bague ou d’un collier et remis en liberté. Lors d’une deuxième capture, le nombre d’individus marqués qu’on recapture permet d’estimer la taille de la population. On utilise l’équation suivante pour calculer, à l’aide de la méthode d’échantillonnage avec capture-recapture, la taille d’une population : Nombre d’individus  Nombre total d’individus marqués capturés (2e capture) Taille d’une population  Nombre d’individus marqués recapturés L’exemple suivant montre comment on peut utiliser cette équation. Exemple B Des techniciens de la faune capturent 150 ratons laveurs et procèdent à leur marquage. Lors de l’opération de recapture, 180 individus sont capturés, dont 100 sont marqués. Quelle est la taille de la population de ratons laveurs ? Données :

Calcul :

Nombre d’individus marqués : 150 Nombre total d’individus capturés (2e capture) : 180 Nombre d’individus marqués recapturés : 100

Nombre d’individus  Nombre total d’individus marqués capturés (2e capture) Taille de la population  Nombre d’individus marqués recapturés 150 individus  180 individus 100 individus Taille de la population  270 individus Taille de la population 

Taille de la population  ?

Enfin, on peut faire une estimation de la taille d’une population en recensant le nombre de nids ou de terriers, ou encore le nombre de traces ou d’excréments qui se trouvent sur le territoire de l’espèce étudiée.

1.1.2

La densité des populations

ST

STE

Selon la nature du territoire (terrestre ou aquatique), la densité d’une population s’exprime en nombre d’individus par unité de surface (ex. : individus/km2) ou en nombre d’individus par volume d’eau (ex. : individus/L). On utilise l’équation suivante pour calculer la densité d’une population : Densité d’une population 

Nombre d’individus Surface ou volume occupé

L’exemple suivant montre comment on peut utiliser cette équation. Exemple C La taille de la population de cerfs de Virginie sur l’île d’Anticosti, qui est d’une superficie de 7900 km2, est estimée à 165 900 individus. Quelle est la densité de la population de cerfs sur l’île? Données :

Calcul :

Nombre d’individus : 165 900

Densité de la population 

Surface occupée : 7 900 km2 Densité de la population  ?

Densité de la population 

Nombre d’individus Surface occupée 165 900 individus 7 900 km2

Densité de la population  21 individus/km2

Section 1 L’écologie

367

1.1.3

La distribution des populations

ST

STE

La distribution d’une population, également appelée « dispersion », est la manière dont ses individus se répartissent sur un territoire. Il existe trois types de distribution d’une population : la distribution en agrégats (groupée), la distribution aléatoire et la distribution uniforme (voir la figure 2).

a) La distribution en agrégats.

La distribution en agrégats est la plus fréquente dans la nature. Les individus forment des groupes là où le milieu leur assure de meilleures chances de survie. Par exemple, plusieurs espèces de poissons de mer vivent en bancs composés de milliers d’individus (voir la figure 2 a). La distribution aléatoire s’observe lorsque les conditions sont les mêmes sur l’ensemble d’un territoire et qu’il y a peu de compétition entre les individus. C’est le cas de certaines espèces d’arbres ou des pissenlits dont les graines peuvent se répartir au gré des vents (voir la figure 2 b).

b) La distribution aléatoire.

Enfin, la distribution uniforme, qui est plus rare, correspond à une situation où les individus sont répartis de façon généralement régulière sur un territoire. On la retrouve habituellement lorsqu’il y a une forte compétition entre les individus pour les ressources et l’espace. C’est le cas, par exemple, des fous de Bassan lorsqu’ils nichent en colonie (voir la figure 2 c).

1.1.4

Les cycles biologiques

ST

STE

Le cycle biologique d’une population correspond aux différents stades de vie des individus d’une espèce, de leur naissance à leur mort, en passant par leur reproduction. c) La distribution uniforme.

Figure 2 Les trois types de distribution d’une population.

Parmi les caractéristiques importantes du cycle biologique, on note la fréquence de reproduction, la maturité sexuelle (l’âge auquel un individu peut se reproduire) et le nombre de descendants par individu. Ces caractéristiques varient d’une espèce à l’autre. Par exemple, certaines espèces d’insectes, comme les éphémères, ont une vie très courte (de quelques dizaines de minutes à 48 heures) et ne se reproduisent qu’une seule fois (voir la figure 3). La majorité des espèces ont toutefois plusieurs périodes de reproduction, et le nombre de descendants varie d’une espèce à l’autre. Par exemple, les populations de grands mammifères, comme les êtres humains et les singes, ont peu de descendants, alors que les petits mammifères, comme les souris ou les rats, ont de très nombreux descendants. Divers facteurs jouent un rôle important dans les cycles biologiques des populations. Le nombre de prédateurs, la disponibilité des ressources ou des périodes de sécheresse font partie de ce qu’on appelle les facteurs écologiques.

Les facteurs écologiques Un facteur écologique est un élément du milieu qui peut avoir un impact sur les populations. On distingue deux types de facteurs écologiques : les facteurs biotiques (vivants) et les facteurs abiotiques (non-vivants).

Figure 3 Les éphémères possèdent un cycle biologique très court.

368

Chapitre 3 Univers vivant

Les facteurs biotiques sont les éléments en lien avec les différents organismes vivants, comme les bactéries, les algues, les champignons, les végétaux ou les animaux, qui peuvent avoir un impact sur une population. Par exemple, la densité élevée d’une population peut être un facteur biotique si elle entraîne une forte compétition entre les individus pour la nourriture.

Les facteurs abiotiques correspondent à des éléments non-vivants d’origine chimique ou physique,