En ce temps de fêtes de Noël et de fin d’année, de nombreuses molécules vont nous bercer et nous enchanter, contribuant à l’atmosphère gourmande et odorante.
Tout d’abord place au roi de la fête : le chocolat (1) fabriqué à base d’ingrédients naturels dont le cacao et le sucre. Le cacao contient des polyphénols qui piègent les radicaux libres toxiques pour l’organisme. Il contient aussi des triglycérides dont en majorité l’acide oléique (2), un acide gras insaturé (omega-3), ingrédient idéal pour combattre le cholestérol (3). D’autres oligoéléments y sont présents comme le magnésium, le phosphore et le potassium sans oublier des endorphines stimulantes et euphorisantes (4), bien nécessaires en hiver.
Viennent aussi d’autres molécules au sein des délicieux pains d’épices. D’abord le gingérol du gingembre lui donne son piquant. Pour le gout de saveur douce, sucrée et un peu épicée, la molécule responsable est la zingérone qui apparait lorsque le gingembre est chauffé pendant la cuisson (5).
Pour se réchauffer en ville, vous prendrez bien un cornet de marrons bien chauds. Lorsqu’elles sont grillées, les châtaignes dégagent quantité de composés volatils par réactions à haute température. La chaleur développe aussi diverses molécules dont le γ-butyrolactone qui donne en bouche un léger gout sucré caramélisé et le furfural qui apporte le côté boisé avec une légère odeur d’amande (6).
Les molécules odoriférantes sont aussi de la partie pour Noël. Ne serait-ce que l’odeur forte et magique des aiguilles du sapin. La responsable est la molécule pinène, présente sous ses deux formes isomères α et β. L’α-pinène est connu comme antiseptique présent également dans la lavande et la sauge. L’autre odeur fraiche du sapin est celle de l’acétate de bornyle utilisé aussi dans les parfums ou les désodorisants (7). Synthétisé naturellement par plusieurs conifères il est aussi utilisé en phytothérapie pour ses propriétés sédatives (8). Côté cadeaux, vous recevrez ou offrirez peut-être des parfums, subtils mélanges de produits naturels et de composés synthétisées (9) (10).
Enfin, si lors des repas de fêtes vous garnissez la table avec du houx n’ingérez pas les baies rouges, elles contiennent des alcaloïdes qui peuvent être toxiques en grande quantité (11). De même, en vous embrassant sous le gui à la Saint-Sylvestre comme le veut la tradition, ne laissez pas trainer par terre trop de baies blanches translucides, elles contiennent de la viscotoxine qui est toxique, tant pour les hommes que pour les animaux de compagnie.
Laissez-vous entourer de molécules naturelles et euphorisantes. Joyeux Noël et bonnes fêtes !
Jean-Claude Bernier et Catherine Vialle
décembre 2018
Pour en savoir plus sur Mediachimie.org
(1) Le chocolat est-il bon pour la santé ?
(2) Acide oléique (produit du jour de la SCF)
(3) Les emplois thérapeutiques du chocolat
(4) Sport et cerveau (Chimie et... Junior)
(5) Le gout : de la molécule à la saveur
(6) Les méthodes de mesure des odeurs : instrumentales et sensorielles
(7) Vision d’avenir de l’industrie dans le domaine des parfums, arômes, senteurs et saveurs
(8) Un exemple de production de substances actives ; le pouvoir des plantes
(9) Le laboratoire des odeurs (vidéo)
(10) Ingrédients odorants et design olfactif
(11) La bonne chimie est-elle dans le bon dosage ?
Image d'illustration © DR. Images sous licence CC0 sauf cake pain épices (licence CC2, F. Voisin Demery)
Mediachimie a été présent au Salon européen de l'éducation et a organisé le vendredi 23 novembre 2018 une conférence animée par Françoise Brénon-Audat et Freddy Minc sur :
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Le 16 novembre dernier à Versailles la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) a voté la condamnation du « grand K ». À partir du 20 mai 2019 la définition du kilogramme sera basée sur une constante fondamentale de la physique : la constante de Planck h en kg.m2/s ; le « grand K » n’a donc plus que six mois à vivre.
C’est toute l’histoire du système international d’unités (SI) qui bascule. La création du système métrique décimal remonte à la Révolution française. Les définitions du kilogramme, basé sur le poids d’un décimètre cube d’eau pure à 4°C, et du mètre, correspondant au dix millionième de la distance du pôle Nord à l’équateur sur le méridien de Paris, n’étaient plus satisfaisantes.
Dès 1799 deux étalons furent forgés en platine (1) : un cylindre d’un kilogramme et une barre d’un mètre de longueur. Afin d’accroître la stabilité des étalons, deux nouveaux étalons furent forgés en 1889 dans un alliage de platine iridium (2). Le cylindre de 39 mm de haut fut alors enfermé sous trois cloches de verre dans un coffre-fort au Bureau international des poids et mesures (BIPM) à Sèvres près de Paris : c’est « le grand K », qui a servi de référence pendant près de 130 ans. Plusieurs répliques ont été faites dès 1875 lorsque le système international d’unités (SI) fut adopté par plus de soixante pays. Le « grand K » n’a quitté sa chambre forte que trois fois pour le comparer à ses « enfants », on s’aperçut alors qu’au fil du temps la masse du « grand K » était inférieure de 50 microgrammes à celles de ses répliques (5.10-8 kg, un grain de sable).
Lors de la 21e Conférence générale des poids et mesures en 1999, il fut demandé aux laboratoires nationaux d’affiner les expériences pour relier l’unité de masse à des constantes fondamentales. En France les chercheurs du CNAM, du LNE (Laboratoire national de métrologie et d’essais) et de l’Observatoire de Paris unirent leurs efforts pour confronter leurs résultats avec ceux du NRC (National Research Council) au Canada et du NIST (National Institute of Standards and Technology) aux États-Unis, ce qui aboutit en 2017 à la détermination de la valeur de la constante de Planck h avec une incertitude de moins de 5.10-8. Les chercheurs ont utilisé pour cela une balance de Kibble, une balance un peu particulière car elle ne comporte qu’un seul plateau, l’autre étant constitué d’une boucle magnétique au centre de laquelle on fait passer un courant précis dans un conducteur qui développe une force électromagnétique que l’on relie à la constante de Planck. Une seconde méthode utilisée par des chercheurs allemands consiste à fabriquer une sphère parfaite en silicium cristallisé très pur (3) d’un kilogramme. En comptant le nombre d’atomes de cette sphère, on calcule le nombre d’Avogadro avec une grande précision que l’on relie aussi à la constante de Planck. Grâce à ces méthodes et à la confrontation des résultats en 2017 la valeur de la constante a été fixée à h = 6,626 070 15 × 10−34 kg.m2.s-1 (J.s en SI).
Dans la foulée et en cascade à partir de mai 2019, la seconde, le mètre, le kilogramme, le kelvin, l’ampère (4), le candela et la mole (5) auront des définitions actualisées. Donnons quelques exemples :
- la seconde, calée sur la fréquence de transition hyperfine du césium 133 égale à 9 192 631 770 Hz équivalent à s-1
- le mètre à partir de la vitesse de la lumière dans le vide c = 299 792 458 m.s-1
- le kilogramme à partir de sa relation avec h = 6,626 070 15 × 10-34 kg.m2.s-1
- la mole, unité de matière, qui contient 6,022 140 76 × 1023 entités élémentaires, correspondant à la valeur de la constante d’Avogadro NA en mol-1
Toutes ces valeurs sont issues des quatre constantes h (constante de Planck), e (charge élémentaire), k (constante de Boltzmann) et NA (nombre d'Avogadro) qui ont nécessité un travail long à l’échelle internationale depuis plusieurs dizaines d’années, avec de multiples expérimentations. Elles ont permis la convergence des résultats, entérinés par CODATA (Committee on Data of the International Council for Science).
On peut se poser la question de savoir si ces précisions sont vraiment utiles ? En fait, pour la seconde et la mesure du temps, on connait la précision des horloges atomiques qui ont permis la définition étonnante des GPS. Pour la médecine et la pharmacie la définition exacte des doses et micro-formulations a besoin de références. Pour nos balances de ménage et nos pèse-personnes ce n’est pas 50 microgrammes après la retraite du grand K qui changera nos vies. En revanche, c’est une nouvelle ère qui s’ouvre pour la métrologie où l’on change de paradigme. En effet, les constantes ne reposent plus sur des objets matériels mais sur des facteurs physiques de nature fondamentale universelle.
Jean-Claude Bernier et Catherine Vialle
novembre 2018
Pour en savoir plus
(1) Produit du jour de la Société chimique de France
(2) Le mètre de 1889
(3) Toujours plus petit ! (Chimie et… junior)
(4) Ampère et la chimie
(5) La constante d’Avogadro (vidéo)
Voir aussi sur le site du LNE (Laboratoire national de métrologie et d’essais)
Le kilogramme
Introduction au système international d’unités
Réplique du Grand K. © National Institute of Standards and Technology.
En 1914, l’industrie chimique organique en France est quasi inexistante, elle ne représente que 2 % du marché mondial alors que celle de l’Allemagne approche les 85 %. La chimie minérale et l’électrochimie avec la production de soude, de chlorates et de phosphates (1) est un peu plus vaillante avec des sociétés comme Saint-Gobain, Air Liquide ou Kuhlmann. Malgré les avertissements des chimistes alsaciens qui avaient fui leur province pour Paris après 1870, inquiets de voir l’hégémonie industrielle allemande s’appesantir sur la France sans sursaut de la part du gouvernement et des investisseurs. Albin Haller (2), qui avait réformé l’enseignement à Paris et à Nancy des ingénieurs chimistes, déplorait le manque de liaison entre l’université et l’industrie tout comme Lebon qui disait : « Les laboratoires étaient des sanctuaires de science pure, où ne parvenait pas le bruit de l’usine, et l’usine vivait d’empirisme et de routine » (3). Un autre chimiste, Charles Moureu, affirmait : « Il est certain que sans la puissance de son industrie, et tout particulièrement de son industrie chimique (…), jamais l’Allemagne ne nous eût déclaré la guerre ».
Cette faiblesse française apparait dès 1914 lors de l’erreur stratégique du haut commandement militaire qui escomptait une guerre courte et un approvisionnement de 10 000 obus par jour. Or, dès octobre 1914, c’est 100 000 obus par jour qui seront nécessaire. Le manque d’explosifs et la prise des mines de charbon et de fer du Nord et de l’Est privent de plus l’approvisionnement en benzol et en coke. Le gouvernement réagit et dès 1914 crée l’Office des produits chimiques et pharmaceutiques et nomme en 1915 un comité de direction de chimistes dont Albin Haller sous la présidence d’Auguste Béhal. Très vite, sous l’impulsion des ministères du Commerce et de l’Armement nait la Commission des matières colorantes qui initie le Syndicat national des matières colorantes (SNMC) qui deviendra très vite la Compagnie nationale des matières colorantes (CNMC). Celle-ci, avec le Service des poudres, contribue à la fabrication de tous les produits explosifs, composés chimiques et colorants. Fin 1915, un ambitieux programme soutenu financièrement par l’État se met en place, la chimie devient un but essentiel de l’économie de guerre.
La guerre chimique déclenchée par les Allemands par les attaques au chlore en 1915 (4) illustre la réaction française. En France la production de chlore était quasi nulle. Seules trois usines étaient capables d’en produire dont celle de la Motte-Breuil dans l’Oise sous séquestre car appartenant à Hoechst. Un contrat américain avec Dupont de Nemours apporte quelques tonnes. Mais l’État permet au groupe industriel de Alexandre Giros et de Louis Loucheur de construire à Pont-de-Claix près de Grenoble une usine qui dès mars 1916 produira des tonnes de Cl2. Dans la foulée près de dix usines électrochimiques sont équipées et financées. Deux usines construites en Tunisie approvisionneront en brome. Après 1917, une même réaction et collaboration en recherche et industrielle permettra de produire un autre gaz toxique, l’ypérite, qui avait été employé par les forces allemandes.
Pour les explosifs, le benzol, l’acide sulfurique et surtout l’acide nitrique et les nitrates manquaient. Il fallait s’approvisionner avec difficulté en nitrates du Chili, alors qu’en Allemagne, grâce au procédé Haber-Bosch, ammoniac (5) et nitrates étaient produits à partir de l’azote et des milliers de tonnes d’engrais peu coûteux s’amoncelaient pouvant aussi bien servir comme explosifs. C’est pourquoi après l’armistice de 1918 les diverses usines de l’IG Farben dont l’immense site d’Oppau furent occupés et les services chimiques français réclamèrent la divulgation de l’ensemble des procédés utilisés pour les armes de guerre. Les sociétés allemandes s’y refusèrent et réclament l’arbitrage de la Commission d’armistice. Celle-ci sous l’influence des Anglais et des Américains déclara que la « synthèse des nitrates revêt[ait] un caractère commercial et non militaire ». Nos chimistes de la délégation ne s’avouèrent pas vaincus et lors des pourparlers en 1919 et dans la rédaction du Traité de paix il y eut bien sûr une référence à l’industrie chimique allemande coupable de l’initialisation de la guerre chimique et l’exigence de l’anéantissement des usines de l’IG Farben où les gaz toxiques et les nitrates avaient été produits de 1914 à 1918.
C’est alors que se place en juin 1919 une rocambolesque négociation. Carl Bosch, qui était le chimiste de la délégation allemande, fut aperçu nuitamment franchissant les murs d’enceinte du parc où résidait la délégation pour rencontrer en secret un conseiller du ministère de l’Armement et des fabrications de guerre qui faisait partie de la Commission de contrôle des usines chimiques outre-Rhin. C’était le frère du futur directeur de la CNMC qui regroupait toutes les industries chimiques françaises soutenues par l’État. Bosch qui savait (et pour cause) que les brevets avaient été conçus pour les rendre inintelligibles aux étrangers de la chimie organique allemande et que la destruction des usines de l’IG Farben ne serait d’aucun secours à l’industrie chimique française négocia un accord avec les chimistes qui remonta au plus haut niveau. Cet accord stipulait la sauvegarde des usines chimiques outre-Rhin contre la révélation du procédé Haber-Bosch et l’aide des chimistes allemands pour la construction sur le territoire hexagonal d’usines de synthèse de NH3 et de nitrates. Dès 1920 le gouvernement français suscita un groupe d’industriels intéressés par la mise en application des brevets et des procédés. L’Office national industriel de l’azote (ONIA) fut créé en 1924 et plusieurs usines s’installèrent sur le site de l’ancienne poudrerie de Toulouse. Dès 1927 l’ONIA devint le premier producteur et exportateur de nitrate d’ammonium, maintenant connu sous le nom AZF (6).
L’économie de guerre avec un dirigisme étatique fort va changer l’industrie. Les entreprises chimiques comme celles des autres secteurs manquaient d’innovation et de capital pour l’investissement, les commandes de l’État entre 1914 et 1918 vont modifier largement le panorama. L’industrie chimique trop éparpillée va évoluer à marche forcée. La SCUR (Société chimique des usines du Rhône) bénéficiant de marchés captifs sur le phénol et les explosifs (7) multiplie son chiffre d’affaire par quinze, les bénéfices de la société Saint-Gobain augmentent de 70 %, la CNMC absorbe plusieurs compagnies et profite du rebond de la chimie organique. Michelin qui fournit les pneus des camions va accumuler un capital qui lui permettra, dès 1919 et l’essor de l’automobile, d’investir et de devenir une des toutes premières industries.
Après 1918, plusieurs écoles d’ingénieurs chimistes se créent sur le modèle de l’ESPCI, de Nancy de Mulhouse, la recherche universitaire dialogue avec l’industrie d’autant que Saint-Gobain, Air liquide, la SCUR, Michelin… ont la taille et les besoins en compétences pour jouer un rôle international. Cette évolution industrielle se double d’une évolution sociétale où, après la saignée de plusieurs millions d’hommes, les femmes prennent une place essentielle dans l’économie. La jeune industrie automobile et la naissante industrie aéronautique comme l’industrie chimique vont croître, sans faire oublier l’hécatombe et le sacrifice de millions d’hommes jeunes et de civils.
Jean-Claude Bernier
Novembre 2018
Pour en savoir plus
(1) Données industrielles, économique, géographiques sur les principaux produits chimiques, métaux et matériaux; L'élémentarium
(2) Solvay et la France. Un partenariat pour la chimie : Ernest Solvay – Albin Haller
(3) La chimie française dans la seconde moitié du XIXe siècle
(4) Il y a cent ans : la guerre chimique
(5) The Synthesis of Ammonia from Its Elements
(6) Enquête technique après accidents industriels
(7) L’industrie chimique française pendant la guerre : matières premières servant à la préparation des poudres et explosifs
Mediachimie est une médiathèque qui a pour vocation de présenter la chimie dans tous ses états, de ses balbutiements aux temps anciens jusqu’à ses avancées les plus récentes. Ses nombreuses ressources documentaires mettent en lumière la réelle et indispensable interpénétration de toutes les disciplines scientifiques. Chimistes, biochimistes, biologistes, géologues, physiciens, médecins, informaticiens… s’enrichissent mutuellement des avancées de chacun. C’est la combinaison de la contribution bien orchestrée de chaque discipline qui conduit à l’innovation et c’est ainsi que l’on peut s’émerveiller aujourd’hui des progrès spectaculaires dans les domaines par exemple des technologies de l’information, des nanosciences, des thérapies innovantes.
Ainsi, les enseignants de SVT pourront faire appel à des ressources accessibles depuis Mediachimie.org pour illustrer leurs enseignements comme par exemple :
Ressources pour les enseignants en Première S et Terminale S
- Fonctionnement du système nerveux : imagerie et optogénétique (captation d'une conférence et article associé)
Ressources scientifiques pour les enseignants ou pour les TPE en Première
- Odeurs et représentations mentales (captation d'une conférence et article associé)
- Le goût : de la molécule à la saveur (captation d'une conférence et article associé)
- Les ressources minérales du future sont-elles au fond des mers ?(article)
Seconde
Cycle 4
Le dernier rapport alarmiste du GIEC coïncide presque avec le Salon mondial de l’automobile à Paris en cette mi-octobre. Bonne occasion pour voir si les nouveaux véhicules vont aider à rester sous 1,5 °C de réchauffement d’ici 2030 (1) ! Alors que la progression des ventes d’automobiles de l’ordre de 2,6 % annuels n’a pas été ralentie depuis l’accord de Paris de 2015, constructeurs et gouvernements dans un grand élan « médiaticologique » ont banni les véhicules thermiques (2) de leur vente, routes et villes d’ici 2030 ! D’où la floraison porte de Versailles et place de la Concorde de véhicules hybrides, hybrides plug-in, électriques, à hydrogène… Au-delà des annonces « green business » reprises par tous les media politiquement corrects, quelques voix de techniciens s’élèvent mettant en doute leur vocation de sauveurs de la planète à l’encontre de l’opinion moutonnière. Qu’en est-il ?
Faisons d’abord un sort aux hybrides avec ou sans plug-in qui rechargent leurs batteries avec le moteur thermique ou une prise dans le garage, ils n’ont d’électrique que le nom sur le catalogue. En général de gros SUV alourdis par une batterie et un moteur électrique annexe fleurissent aux abords des écoles où les parents hauts perchés montrent leur sentiment écologique aux têtes blondes. Quelques élus de la nation veulent qu’ils accèdent à une prime de 2000 € alors qu’ils ont une autonomie de 1000 km grâce à leur réservoir de gasoil en émettant à tout va du CO2 (3) et ne peuvent parcourir que 40 km au moteur électrique. Ce sont à l’évidence à 90 % des véhicules thermiques, ils n’ont rien d’électrique !
Les véhicules tout électrique vus au salon sont-ils différents ? Ils sont très beaux et tentants avec des autonomies comprises maintenant entre 250 et 450 km grâce à des packs de batteries ion–lithium (4) de réserve comprise entre 30 kWh et 60 kWh. Hélas de petits calculs simples font douter qu’ils répondent aux souhaits du GIEC d’utiliser des moyens de transport à énergie renouvelable (5) pour nous sauver du réchauffement climatique. Prenons l’exemple d’une automobile moyenne à la limite du malus en France. Elle émet 120 g de CO2 par kilomètre. Imaginons qu’elle parcourt 15 000 km/an au cours de son utilisation durant 10 ans, l’émission sera de
Prenons son équivalent électrique d’autonomie d’environ 300 km elle dépense 20 kWh/100 km. En la gardant 10 ans (en espérant garder la même batterie) et avec le même kilométrage de 150 000 km elle aura dépensé 30 000 kWh. Si ce parcours est fait en France, avec un mix électrique (6) qui donne 50 g CO2/kWh, l’émission équivalente sera de
Attention nous disent les spécialistes des cycles de vie, il faut aussi tenir compte de l’énergie nécessaire à la fabrication. On supposera que l’énergie nécessaire à l’élaboration carrosserie, moteurs, accessoires, est la même pour les deux véhicules. Par contre pour l’électrique s’ajoute celle nécessaire pour fabriquer le lourd pack de batteries : les spécialistes la montent à environ 15 000 kWh. Malheureusement pour nous, sur tous les véhicules électriques ces batteries viennent à 90 % d’Asie avec un mix électrique chinois qui donne l’équivalent de 11 500 kg de CO2 qu’il faut ajouter au bilan total. On voit alors qu’en Allemagne et en Chine la voiture électrique aura « émis » in fine respectivement 60 % et 100 % de CO2 de plus que la voiture thermique. On notera en passant l’avantage d’implanter une « gigafactory » en France parce qu’alors le supplément ne serait que de 750 kg de CO2.
Sont aussi exposés au Salon trois véhicules mus électriquement grâce à une pile à combustible utilisant l’hydrogène, disponibles en 2018, et figurent aussi de nombreux projets prévus au-delà de 2020 (7). Ce n’est pas la peine de rappeler aux chimistes qu’à 95 % l’hydrogène est obtenu par « steam cracking » du méthane ou hydrocarbures et que la production d’un kilogramme de H2 s’accompagne de la production de 10 à 20 kg de CO2. Pour ces magnifiques automobiles exposées il faut 1 kg d’hydrogène stocké à 700 bars pour parcourir 100 km ayant dégagé déjà 10 kg de CO2. Le même calcul sur le parcours durant 10 ans de 150 000 km conduit à une consommation de 1500 kg de H2 et une émission « décalée » de 15 000 kg de CO2. On pourrait y ajouter le supplément de fabrication de la pile (8) et de la batterie tampon, mais on peut se contenter de voir qu’il faut consacrer le tiers de l’énergie disponible de l’hydrogène pour le comprimer à 700 bars, soit 15 000 kWh. S’il est comprimé en France on ajoutera 750 kg de CO2, si c’est en Allemagne on ajoutera 8250 kg soit au total respectivement 15 750 kg et 23 250 kg de CO2 comparés au véhicule thermique (18 000 kg) et tant pis pour la Chine.
Vous voyez donc que constructeurs et élus dans un grand élan de « green washing » oublient de nous dire qu’il y a de forte variations de rejets de gaz de serre suivant les pays à mix électrique fortement décarboné comme la France ou la Norvège, moyennement comme l’Allemagne ou le Japon et peu ou pas comme la Chine ou l’Inde, avec des résultats qui montrent que dans les deux dernières situations les rejets sont pires pour les véhicules « propres » que pour le thermique. Les subventions à l’achat des hybrides et électriques ne seraient-ils pas mieux employés à investir en France pour une grande usine de fabrication de batteries, aujourd’hui importées à grand frais et à fortes émissions de CO2 depuis la Chine. Pour sauver la planète fabriquons et roulons en France, sinon marchons à pied ou faisons comme Gaston Lagaffe, installons sur notre voiturette électrique une éolienne sur le toit !
Jean-Claude Bernier
octobre 2018
Pour en savoir plus
(1) Le changement climatique : question encore ouverte ?
(2) Le moteur électrique comparé au moteur thermique, enjeux et contraintes
(3) Le gaz carbonique
(4) Applications présentes et futures de batteries
(5) Vers des transports décarbonés : carburants, combustion et post traitement pour les transports routiers
(6) Les enjeux de la chimie dans la production d’électricité
(7) L’hydrogène bientôt dans nos automobiles
(8) Fonctionnement de la pile à combustible