Le dioxyde de carbone, aussi appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé inorganique dont la formule chimique est , la molécule ayant une structure linéaire de la forme O=C=O. Il se présente, sous les conditions normales de température et de pression, comme un gaz incolore, inodore, à la saveur piquante.
Le est utilisé par l'anabolisme des végétaux pour produire de la biomasse à travers la photosynthèse, processus qui consiste à réduire le dioxyde de carbone par l'eau, grâce à l'énergie lumineuse reçue du Soleil et captée par la chlorophylle, en libérant de l'oxygène pour produire des oses, et en premier lieu du glucose par le cycle de Calvin. Le est libéré, à travers le cycle de Krebs, par le catabolisme des plantes, des animaux, des fungi (mycètes, ou champignons) et des micro-organismes. Ce catabolisme consiste notamment à oxyder les lipides et les glucides en eau et en dioxyde de carbone grâce à l'oxygène de l'air pour produire de l'énergie et du pouvoir réducteur, sous forme respectivement d'ATP et de . Le est par conséquent un élément fondamental du cycle du carbone sur notre planète. Il est également produit par la combustion des énergies fossiles telles que le charbon, le gaz naturel et le pétrole, ainsi que par celle de toutes les matières organiques en général. C'est un sous-produit indésirable dans les processus industriels à grande échelle.
Des quantités significatives de sont par ailleurs rejetées par les volcans et autres phénomènes géothermiques tels que les geysers.
En , l'atmosphère terrestre comportait (parties par million en volume) de , soit 0,0428 %.. Cette teneur était de en 1839 d'après des carottes de glace prélevées dans l'Antarctique, soit une augmentation globale d'environ 51 % en .
Le est un gaz à effet de serre majeur, transparent en lumière visible mais absorbant dans le domaine infrarouge, de sorte qu'il tend à bloquer la réémission vers l'espace de l'énergie thermique reçue au sol sous l'effet du rayonnement solaire. Il est responsable d'environ 26 % de l'effet de serre à l'œuvre dans l'atmosphère terrestre (la vapeur d'eau en assurant 60 %) ; l'augmentation de sa concentration est responsable de l'essentiel du changement climatique constaté à l'échelle de notre planète depuis les dernières décennies du . Par ailleurs, l'acidification des océans résultant de la dissolution du dioxyde de carbone atmosphérique pourrait compromettre la survie de nombreux organismes marins avant la fin du .
Caractéristiques physico-chimiques
À la pression atmosphérique, il se sublime à (passage de l'état solide à l'état gazeux), mais ne fond pas (passage de l'état solide à l'état liquide).
La phase liquide ne peut exister qu'à une pression minimale de (soit ), et dans un intervalle de température allant de (point triple) à au maximum à (soit ) (point critique).
vignette|gauche|350px|Diagramme de phase pression-température du dioxyde de carbone, montrant le point triple et le point critique.
Température Pression État solide solide solide solide solide solide solide solide solide solide solide solide solide solide solide solide solide point triple Température Pression État liquide liquide liquide liquide liquide liquide liquide liquide liquide liquide liquide liquide liquide liquide liquide liquide liquide point critique
200px|vignette|gauche|Structure cristalline de la « glace sèche » : cubique à faces centrées. + Chaleurs latentes de transition d’état Transition Température Chaleur latente Vaporisation Vaporisation Vaporisation Fusion
Il existerait au moins cinq phases solides moléculaires (existant à « basse » pression, moins de 30 à 60 GPa) et trois phases solides polymériques (aux pressions plus élevées) du . : phases moléculaires : I : la « glace sèche », jusqu'à 800 K et 11-12 GPa II : entre 400 et 5-600 K et une pression de 12 à environ 50 GPa III : au-delà de et moins de IV : au-delà de et plus de VII : de 600 à 900 K (jusqu'à 1000 K en incluant la partie supercritique) et 11 à 20 GPa phases polymériques : V : plus de et plus d'environ VI : température comprise entre environ et et pression supérieure à de 30 (à 1300 K) à 50 GPa (à 500 K) amorphe, à moins de 500 K et plus de 50 GPa
Solubilité aqueuse Le se dissout dans l’eau et y forme de l’acide carbonique :
Il est également liposoluble (soluble dans les corps gras).
L’acide carbonique n’est que modérément stable et il se décompose facilement en et . En revanche, lorsque le dioxyde de carbone se dissout dans une solution aqueuse basique (soude, potasse…), la base déprotone l’acide carbonique pour former un ion hydrogénocarbonate HCO, aussi appelé ion bicarbonate, puis un ion carbonate CO. De cette façon, la solubilité du est considérablement augmentée. Le carbonate de potassium a par exemple une solubilité de d'eau à .
C'est ainsi que le calcaire se dissout dans l'eau, dans la plage de pH dans laquelle l'hydrogénocarbonate acide est stable, en produisant une solution d'hydrogénocarbonate(s) (de calcium et de magnésium…). Il est donc susceptible de précipiter lorsque le dissous est dégazé, comme dans la formation des stalagmites et des stalactites. Le calcaire a ainsi, en présence de , une solubilité qui diminue quand la température augmente, à l'instar des gaz et au contraire de la plupart des solides (dont la solubilité augmente généralement avec la température).
Dans certaines conditions (haute pression + basse température) le peut être piégé dans des cages d'eau dites clathrates.H. S. Chen, The thermodynamics and composition of carbon dioxide hydrates, M.S. Thesis, Syracuse University, New York, 1972.H. Lee, C.-S. Lee, W.-M. Sung et S.-P. Kang, Hydrate phase equilibria of the guest mixtures containing , N2 and tetrahydrofuran, Fluid Phase Equilib., 2001, 185, 101. C'est un des moyens possibles de séparation industrielle du contenu dans un gazP. Englezos, R. Kumar et J. Ripmeester, The gas hydrate process for separation of from fuel gas mixture: macro and molecular level studies, Proceedings of the International Conference on Gas Hydrates (ICGH), 2008 en pré- ou postcombustionP. Linga, R. Kumar et P. Englezos, The clathrate hydrate process for post and precombustion capture of carbon dioxide, J. Hazard. Mater., 2007a, 149 (3), 625–629.. C'est aussi un des moyens envisagés de séquestration industrielle de N. H. Duc, F. Chauvy et J.-M. Herri, capture by hydrate crystallization – A potential solution for gas emission of steelmaking industry, Energy. Conv. Manag., 2007, 48, 1313–1322.Wassila Bouchafaa, Mesure et modélisation des conditions de dissociation d’hydrates de gaz stabilisés en vue de l’application au captage du (thèse de doctorat d'École polytechnique), 22 novembre 2011 ou de stockage géologique étudié, éventuellement corrélativement à la désalinisation d'eau de merY. D. Kim, H. J. Lee, Y. S. Kim et J. D. Lee, A study of desalination using hydrate technology, Proceedings of the International Conference on Gas Hydrates (ICGH), 2008M. D. Max, K. Sheps, S. R. Tatro et L. B. Osegovic, Sea water desalination as a beneficial factor of sequestration, Proceedings of the International Conference on Gas Hydrates (ICGH), 2008 (il peut théoriquement même être substitué à l'hydrate de méthane) I-4.3. Procédé simultané d'extraction de méthane et de stockage de , (ou de la version ) de la thèse de Nadia Mayoufi, Caractérisation de coulis d’hydrates contenant du appliqués à des systèmes frigorifiques, thèse de doctorat, École polytechnique, 8 décembre 2010.
Historique des connaissances vignette|Évolution des teneurs connues de de l'atmosphère terrestre. Pour rendre ces variations plus visibles, l'échelle temporelle n'est pas linéaire vignette|La teneur en à mi-hauteur de la troposphère (ici en , environ au-dessus du niveau des mers) est influencée par les émissions au sol et celles des avions, mais subit aussi les grands courants de circulation atmosphérique (source : NASA/Atmospheric Infrared Sounder).
Le dioxyde de carbone est l'un des premiers gaz (avec la vapeur d'eau) à avoir été décrit comme étant une substance distincte de l'air. Au , le chimiste et médecin flamand Jean-Baptiste Van Helmont observa qu'en brûlant du charbon de bois en vase clos, la masse des cendres résultantes est inférieure à celle du charbon. Son interprétation était que la masse manquante s'était transmutée en une substance invisible qu'il nomme « gas » ou spiritus sylvestre (« esprit sauvage ») « Carbon Dioxide : Spiritus Sylvestre », p..
Les propriétés du dioxyde de carbone furent étudiées plus en détail dans les années 1750 par le chimiste et physicien écossais Joseph Black. Il découvrit qu'en chauffant ou en versant un acide sur du calcaire (roche composée de carbonate de calcium), il en résultait l'émission d'un gaz, qu'il nomma « air fixe », mettant à mal la théorie du phlogiston encore enseignée à cette époque. Il observa que celui-ci est plus dense que l'air et qu'il ne peut ni entretenir une flamme, ni la vie d'un animal. Black découvrit également que lorsque le dioxyde de carbone est introduit dans une solution calcaire (hydroxyde de calcium), il en résulte un précipité de carbonate de calcium. Il utilisa ce phénomène pour illustrer le fait que le dioxyde de carbone est produit par la respiration animale et la fermentation microbienne.
En 1772, le chimiste anglais Joseph Priestley publia un ouvrage intitulé Impregnating Water with Fixed Air dans lequel il décrivit un processus consistant à verser de l'acide sulfurique (ou « huile de vitriol » comme on la nommait à cette époque) sur de la craie afin de produire du dioxyde de carbone, puis forçant le gaz à se dissoudre dans un bol d'eau. Il venait d'« inventer » l'eau gazeuse. Le procédé est ensuite repris par Johann Jakob Schweppe qui fonda, en 1790, à Londres une usine de production de soda connue sous le nom de Schweppes.
En 1781, le chimiste français Antoine Lavoisier mit en évidence le fait que ce gaz est le produit de la combustion du carbone avec le dioxygène.
Le dioxyde de carbone fut liquéfié pour la première fois en 1823 par Humphry Davy et Michael Faraday. La première description du dioxyde de carbone en phase solide fut écrite par Adrien Thilorier, qui en 1834 ouvrit un container pressurisé de gaz carbonique liquéfié et découvrit que le refroidissement produit par la rapide évaporation du liquide générait de la « neige » de .
Utilisations Le dioxyde de carbone est commercialisé sous différentes formes pour des usages variés, dans un marché dominé par des grandes entreprises comme Messer, Air liquide et Air Products. Pour l'industrie agro-alimentaire, la norme de référence en Europe est éditée par l' (association européenne des gaz industriels).. En France, elle représente 70 % de la consommation..
L'Agence internationale de l'énergie a publié en un rapport sur les utilisations du , qu'il évalue à , dont pour la fabrication d'engrais et pour la récupération assistée de pétrole et de gaz naturel. L'objectif de ce rapport est d'évaluer leur potentiel de contribution à la compensation des émissions de . Il conclut que ce potentiel est faible à court terme, et restera à long terme très inférieur à celui de la capture et séquestration du dioxyde de carbone ; les pistes les plus prometteuses sont les utilisations dans les matériaux de construction, dans la fabrication de polymères et dans les serres Putting CO2 to Use - Creating Value from Emissions, Agence internationale de l'énergie, septembre 2019..
Sous forme gazeuse Le a de nombreuses utilisations, dont : l’extinction des feux : beaucoup de centres de données (salles de serveurs d’ordinateurs) ou de salles d'archives sont équipés d’un système qui, en cas d’incendie, remplit la salle de ce qui a pour effet d’éteindre le feu ; composant pétillant dans les boissons gazeuses ; en aquariophilie et culture sous serre pour une meilleure croissance des plantes ; en emballages à atmosphère contrôlée comme élément neutralisant ;