Analyse d’un document présentant une expérience sur le CO2

  • Le présent article date du 25 novembre 2011, il était autrefois publié sur mon ancien blog (chez unblog.fr) qui n’existe plus. J’ai retrouvé aujourd’hui l’article égaré, je le mets à disposition ici ce 12 décembre 2013.

 Analyse d’un document présentant une expérience sur le CO2

Dans le paragraphe 1 du PDF, le questionnement posé est le suivant :

  • « L’augmentation du dioxyde de carbone de l’atmosphère engendre t-elle des conséquences dans les océans ? »

Le questionnement présente une lacune qui peut avoir son importance dans le sens de la question. Formulé autrement, je propose :

  • « L’augmentation de la concentration en dioxyde de carbone de l’atmosphère engendre t-elle des conséquences dans les océans ? »

Voila qui est mieux. Le paragraphe 3 du PDF propose une expérience qui consiste en la mesure comparative du pH :

  • 1. Verser un peu d’eau dans un verre, mesurer le pH de cette eau (bien attendre que les chiffres se stabilisent pour lire la mesure).
  • 2. Ajouter du dioxyde de carbone dans l’eau en soufflant dans le verre d’eau avec la paille.
  • 3. Souffler au moins 20 secondes.
  • 4. Remesurer le pH de l’eau du verre.

Ma remarque à propos de cette expérience ci-dessus :

  • Je verse de l’eau distillée dans un verre, son pH est égal à 7.
  • Combien de CO2 est-il expiré lors d’une durée de 20 secondes en soufflant dans le verre d’eau distillée ? À chaque expiration nous expirons 0,02244 grammes de CO2, on va se baser sur une seule expiration profonde de 20 secondes (les poumons sont vidés au maximum possible). La masse de référence ici servira pour le calcul ci-dessous.

Formule du pH :        pH = pKa + log ([CO2]/[HCO3⁻]) =  6,37 + log ([CO2]/[HCO3⁻]) m = 0,02244 g,  cette masse divisée par la masse molaire du CO2 (M = 44 g/mol) est égale à la quantité molaire : 0,00051 mol. Un verre a environ un volume de 25 cm³ d’eau, soit 1/4 de litre. La concentration molaire en CO2 sera donc [CO2] = 0,00051 / 0,25 = 0,00204 mol/L, ce qui est une concentration faible. Mais comme je ne connais pas la concentration en anion hydrogénocarbonate, il est impossible de poursuivre le calcul. Il n’y a de résultat possible qu’avec une expérience scientifique. Comme je possède un ruban de papier pH, je peux réaliser cette expérience. Mon hypothèse crédible est que la variation du pH de l’eau sera très faible avec un souffle d’une durée de seulement 20 secondes… Vérification expérimentale imminente (réédition prochaine du présent article). La grandeur de l’acidification est inversement proportionnelle au volume d’eau. Plus l’eau dans laquelle on souffle est abondante, plus la variation du pH sera faible et d’autant plus difficile à mesurer.

 

Ajout du 12/12/2013 : dans un verre d’eau, on peut y dissoudre jusqu’à 220 g de CO2 à 20°C pour obtenir une solution saturée en CO2. Mais avec un seul souffle expiré, on n’envoie que 22 milligrammes environ. Ajout du 12/12/2013 : avec de l’eau minérale contenant une concentration en hydrogénocarbonate de 372 mg/L, le calcul montre que le pH passe de 7 à 6,97 avec un souffle expiré en 20 secondes. C’est une variation faible. Cela est vérifiable avec un pH-mètre (un pH-mètre peut être conçu avec un simple volt-mètre avec calibrage via une solution témoin dont on connaît exactement le pH). Ainsi, l’expérience de mesure de pH devra utiliser un pH-mètre car la variation de pH est faible, on ne peut donc pas faire une mesure approximative avec du papier pH ni avec des indicateurs colorés de pH (comme le bleu de bromothymol ou la phénolphtaléine par exemple).

 

L’expérience du paragraphe 3 du PDF a une dernière étape :

  • 5. Tracer une partie de la chaîne alimentaire arctique sur une feuille.

L’expérience du PDF oublie des détails pourtant importants :

  1. L’eau de mer est salée, et la salinité rend les gaz moins solubles dans l’eau de mer que dans l’eau pure. Veuillez faire l’expérience en comparant la gazéification d’un verre d’eau de mer avec celle d’un verre d’eau distillée : veuillez comparer la concentration gazeuse effectivement dissoute dans ces milieux aqueux respectifs.
  2. L’eau de mer a un pH alcalin (donc pH supérieur à 7) ; même avec la variation légère du pH, l’eau de mer reste alcaline (basique). De plus, l’eau de mer est une solution tampon.

Ce qui est intéressant à dire c’est d’évoquer «les petits oublis qui font les grandes «théories»», n’ai-je pas raison de ne pas adhérer aux affirmations et de rechercher les incohérences ? Des incohérences, j’en trouve souvent à travers le web, les magazines et autres médias. Bref, le recul critique est une nécessité, et c’est le principe même de la science !

 

Même dans un contexte de vulgarisation scientifique, il convient de ne pas oublier d’évoquer des caractéristiques factuelles qui ont une importance. Toute lacune peut conduire à formuler des interprétations erronées d’une expérience scientifique insuffisamment rigoureuse. Ce qui serait intéressant à faire est de comparer 3 cuves en verre remplies de gaz et éclairée par le soleil (avec température ambiante constante au soleil) : un thermomètre externe affiche par exemple une température atmosphérique de 25°C ; chaque cuve a un thermomètre ; la première cuve est ouverte (sommet ouvert au-dessus) et elle est emplie de CO2 (il reste dans la cuve, le CO2 est plus dense que l’air) ; la seconde cuve contient du CO2 mais cette cuve est fermée par un couvercle étanche en verre ; la 3e cuve est fermée pareillement mais elle contient de l’air sans CO2. Selon la loi d’Arrhénius, je prédis un excès thermique d’environ 6 à 7°C pour la première cuve par rapport au thermomètre du milieu ambiant, considérant que 100% de CO2 dans la cuve correspond à un million de ppm en masse. En aucun cas la grandeur ne peut excéder ces 6 à 7°C supplémentaires, en considérant le phénomène de gaz à effet de serre. J’envisage de réaliser cette expérience, il faudrait que je me procure 3 aquariums identiques en verre. La carboglace est le matériau idéal pour créer une atmosphère carbonique totale, mais étant donné la température initiale (-78°C), il faudra être patient pour suivre l’élévation de la température jusqu’à son maximum.On nous parle de gaz à effet de serre comme une vérité établie : spectroscopiquement, l’absorption infrarouge par le CO2 (comme la vapeur d’eau et le méthane) est un fait avéré mais existe t-il des expériences explicites qui en parle pour réaliser des montages à une échelle macroscopique ? Une masse d’air à l’échelle du km cube, et avec des gradients différents de pression et de température, c’est différent d’un échantillon d’air isotherme et isobare à l’échelle du centimètre cube. J’avais évoqué dans un de mes articles que le coefficient de forçage radiatif de la plupart des gaz à effet de serre (dont le CO2, et surtout le méthane) est biaisé par une incertitude qui rend les prédictions incertaines. La preuve : https://jpcmanson.wordpress.com/2013/01/30/quel-est-le-coefficient-utilise-pour-le-calcul-du-forcage-radiatif-du-co2/ https://jpcmanson.wordpress.com/2011/12/05/de-combien-de-fois-le-methane-est-un-gaz-a-effet-de-serre-plus-puissant-que-le-co2/ Ensuite, dans ma proposition d’expérience, pourquoi une cuve fermée mais l’autre ouverte ? La cuve fermée emprisonne le rayonnement infrarouge du soleil, l’air s’échauffe à l’intérieur et reste dans la cuve étanche. L’effet de serre par le verre (comme dans les serres de jardin) n’a rien à voir avec les gaz à effet de serre, ce n’est pas la même chose. Une serre fermée contient un air plus chaud qu’un jardin à ciel ouvert. La Terre n’est pas recouverte d’une cloche de verre : l’air est en contact avec les couches supérieures de l’atmosphère là où l’air est moins dense et plus froid : la convection de l’air, en l’absence de serre en verre, s’élève dans l’air (l’air chaud est moins dense que l’air froid) et se refroidit en altitude avant de redescendre. Dans une serre en verre, l’air chaud ne s’élève pas, il est enfermé et s’accumule, même en l’absence totale de gaz à effet de serre à l’intérieur. Dans le paragraphe 4 du document PDF analysé, je relève ces affirmations :

  1. Le changement climatique est fortement lié à l’augmentation de l’effet de serre.
  2. Le phénomène est lui même lié à l’augmentation de la concentration de certains gaz dans l’atmosphère.
  3. Le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre : il augmente dans l’atmosphère et est aussi piégé dans les océans lorsque l’eau est en mouvement.
  4. Il se produit alors, entre le dioxyde de carbone et l’eau, une réaction chimique conduisant à une acidification de l’eau.

Pour ces 4 points, j’y réponds respectivement :

  1. En regard des équations utilisées en thermodynamique (loi d’Arrhénius et loi de Stefan-Boltzmann), l’effet de serre est une partie des causes possibles du réchauffement climatique. Les calculs montrent qu’un doublement de la concentration du CO2 n’entraîne une élévation que de 0,68°C et non pas entre 4 et 6°C. Pourquoi les conclusions donnent-elles des chiffres dont la grandeur est presque 10 fois la valeur physique de l’écart ? Et même en tenant compte des rétroactions, entre plusieurs estimations futuristes : ça ne colle pas, entre la variation en degrés Celsius prédite et le taux en ppm en CO2.
  2. L’effet de serre concerne les gaz qui ont plus de 2 atomes par molécule : la vapeur d’eau est le principal gaz à effet de serre, suivi par le CO2 et le méthane. L’ironie du sort est que les CFC destructeurs d’ozone (présents dans les bombes aérosol il y a plus de 20 ans) ont été remplacés par du protoxyde d’azote comme gaz propulseur (N2O), or ce gaz est un gaz à effet de serre…
  3. Il est prouvé que le taux du CO2 augmente dans l’atmosphère depuis le début de l’ère industrielle. Ce taux n’a jamais été constant, d’ailleurs, si on examine attentivement toute l’Histoire climatique ancienne de la Terre. Il est juste de chercher à éviter d’atteindre une concentration critique en CO2, pas forcément par crainte d’effet de serre, mais à cause du risque d’asphyxie certaine quand le taux s’approche de 3% (30000 ppm, les premiers risques respiratoires apparaissent dès 10000 ppm). J’ai lu : le CO2 est piégé dans les océans quand l’eau est en mouvement ? Le CO2 est soluble aussi quand l’eau est immobile… La solubilité dépend de la nature du solvant, pas de ses mouvements…
  4. La réaction chimique responsable de l’acidification de l’eau est la dissolution du CO2 selon l’équation suivante :  pH = pKa + log [HCO3⁻]/[CO2]. L’élévation de la concentration de CO2 fait diminuer le pH et donc fait croître l’acidité.

 

 

Remarque du 12/12/2013 : Les petits oublis (ainsi que les incohérences) sont forcément remarqués par n’importe quel chimiste. Dans le cadre de travaux pratiques de physique et de chimie dans des collèges et des lycées, des expériences n’ont pas le but de tenter de prouver l’hypothèse suggérée par le professeur. La science n’est pas faite pour faire plaisir, ni respecter ou se soumettre à l’autorité, ni agir comme des moutons, ni adhérer à une doctrine actuellement à la mode. Seuls les faits comptent, uniquement les faits. Certainement pas les opinions ni les croyances ni les «a priori». La démarche scientifique c’est de toujours chercher à invalider l’hypothèse, et non pas chercher à la conforter. Des expériences peuvent être mal montées, mal organisées, et les résultats peuvent être mal interprétés ; or les expériences scientifiques sont reproductibles, il ne faut pas hésiter à mieux faire comme montages expérimentaux pour améliorer les mesures et les interprétations objectives des résultats.

 

Il faudrait notamment se méfier des expériences quand celles-ci restent qualitatives. En effet, constater juste l’existence d’un phénomène est insuffisant. Une expérience scientifique est essentiellement basée sur la production de données quantitatives, celles-ci permettant d’analyser les petits détails dont on n’entend pas souvent parler (comme par exemple : de combien de degrés Celsius la température augmente si on double la concentration atmosphérique en CO2 ? ; y a t-il des différences entre des masses d’air à grande échelle par rapport aux petits volumes d’air analysés spectroscopiquement en laboratoire ? ; existe t-il une marge d’incertitude quantitative sur le pouvoir de réchauffement des différents gaz à effet de serre ? Voila des questions qu’il faut se poser).

 

— Article connexe : https://jpcmanson.wordpress.com/2011/12/06/cours-de-chimie-leau-de-mer-nest-pas-acide-mais-alcaline/

 

© 2011-2012-2013 John Philip C. Manson

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