Depuis près de vingt ans le « nanomonde » s’est développé. Rappelons d’abord qu’un nanomètre (nm) est mille fois plus petit que le micromètre et qu’une particule de 10 nm est 50 000 fois plus petit que l’épaisseur d’un de vos cheveux. Si les microprocesseurs de nos smartphones sont de plus en plus puissants, c’est que par lithographie on grave les transistors à moins de 20 nm (1). De même les microcapteurs de CO ont des composants à dimensions nanométriques (2), la télévision HD utilise aussi des « quantum dots » nanométriques (3) et même en thérapie les nanomédicaments sont un espoir pour les traitements du cancer (4).

Cet été la presse s’est fait l’écho d’une enquête très médiatisée sur la présence de nanoparticules de TiO₂ dans de nombreux aliments, plats cuisinés, pâtisseries, bonbons… Une publication de l’université de Séoul en mai attire aussi l’attention sur des poudres de carbone émises par les imprimantes 3D (5). Ces annonces peuvent semer le trouble dans l’agroalimentaire, chez les consommateurs et aussi chez les usagers d’imprimantes 3D. Pour ces dernières, qui se multiplient dans le grand public, la fabrication additive se fait le plus souvent par fusion de fils de thermoplastiques (PLA - acide polylactique, ABS - acrylonitrile butadiène styrène) à des températures de 150°C à 200°C qui peuvent permettre l’émission de vapeurs mais probablement pas de nanoparticules de carbone, d’autant que maintenant la plupart des imprimantes sont capotées. Plus sérieux est le cas des imprimantes 3D industrielles qui se multiplient chez les fabricants de pièces complexes à partir de poudres métalliques déposées en couches successives fondues par laser. La sécurité des opérateurs est assurée par des installations qui satisfont aux normes relatives aux locaux à pollution spécifique où les concentrations moyennes en poussière totale et alvéolaire de l’atmosphère ne doit pas dépasser 10 et 5 mg/m³ d’air. Les rangées d’imprimantes bien fermées sont disposées dans des locaux ventilées avec leurs propres alimentations de poudres, étanches, limitant les manipulations individuelles et obéissant aux normes (6).

À cet égard, il faut rappeler qu’il y a un domaine où les normes n’ont aucun pouvoir, il s’agit des nano-objets relevant de la pollution ambiante : nanoparticules de TiO₂ des peintures, des cosmétiques, des nanosilices, des particules de CeO₂ issues de pots catalytiques, etc…, tous objets non manufacturés de l’ordre de 20 000 à 30 000 nano-objets par mm³ (7). Cette situation relativise l’annonce médiatique des nanoparticules de TiO₂ de l’additif alimentaire E 171. Car de plus, au-delà du « scoop », il faut rappeler que les autorités européennes par l’EFSA ont largement étudié la toxicité de cet additif depuis plusieurs années. Il comporte entre 0 et 39% de particules inférieures à 100nm et d’après cette agence, « les expositions à l’E171 ne sont pas de nature à entrainer un risque sanitaire ». Mais en France, avec le principe de précaution, l’ANSES a été alerté par divers ministères, suite à une publication (Bettini et al., dans Scientic Reports) sur d’éventuelles lésions du colon chez des rats soumis à un régime riche en nanoparticules de TiO₂. L’expertise collective diligentée aussitôt a rendu ses avis en avril, après analyse des protocoles d’essais et audition des auteurs. La conclusion du panel d’experts ne remet pas en cause l’avis initial européen de l’EFSA, elle constate aussi que les réactions inflammatoires intestinaux ne sont que difficilement étayées et que les résultats ne permettent pas de conclure à une génotoxicité. L’ANSES rappelle par ailleurs que cela fait plus de dix ans que l’agence travaille sur les effets biologiques des nano-objets et qu’elle souhaite que des protocoles d’essais rigoureux et normés soient mis en place en ce domaine (8).

Jean-Claude Bernier
Ocotbre 2017

Quelques ressources pour en savoir plus :

1) Chimie et nanolithographie (vidéo, 8:20)
2) Micro-capteurs à semi-conducteurs pour la détection de CO (conférence)
3) La chimie s’invite dans la guerre des télés
4) Les nanomédicaments : une approche intelligente pour le traitement des maladies sévères
5) La 3D, troisième révolution industrielle ?
6) Production et utilisation des nano-objets : évaluation et gestion des risques
7) Les nano-objets : un avenir prometteur sous contrôle (chimie et… junior)
(8) Le défi posé aux chimistes pour la protection de la santé et de l’environnement. Le point de vue de l’ANSES
 

Dans le cadre de la Fête de la science, l’équipe de Mediachimie.org vous propose de rentrer dans le monde souvent surprenant et parfois magique de la chimie et de ses applications, au travers d’un quiz ludique et instructif.

C’est l’occasion de découvrir que la chimie est partout, qu’elle est présente en permanence dans notre quotidien et dans tout ce qui nous entoure. Source d'innovations et de progrès, elle accompagne les autres sciences et les autres technologies, dans tous les laboratoires de recherche, dans tous les domaines d'activités.

Avec ce quiz, testez vos connaissances et découvrez des innovations ou des applications inattendues, fruits de l'observation et de l'imagination des chercheurs, parfois aidés par ce que la Nature a su inventer avant nous.

À vos claviers !

Lien vers le quiz

Lien vers le règlement
 

Le grattoir est constitué de poudre de verre et de phosphore rouge.
Le phosphore rouge est la variété allotropique (1) stable du phosphore, non inflammable et non toxique.

Les composés présents sur la tête de l’allumette

La petite tige de bois de peuplier est imprégnée de phosphate d’ammonium et son extrémité est recouverte de paraffine. Sur cette extrémité est déposée une pâte constituée à environ 50 % de chlorate de potassium (KClO₃) (2), de trisulfure de diantimoine (Sb₂S₃) et de phosphate d’ammonium (NH₄)₃PO₄, le tout lié par une colle. Le colorant présent est ajouté pour la rendre jolie !

Cette tête est appelée le « bouton » dans le processus de fabrication.

Que se passe-t-il lors du grattage, et après ?

La poudre de verre permet la friction provoquant un échauffement. Cette augmentation locale de température provoque la transformation du phosphore rouge en phosphore blanc (3). Celui-ci, très volatil et inflammable, s’enflamme immédiatement en présence du dioxygène de l’air. Cette étape sert à amorcer la flamme.

Celle-ci se communique alors à la tête de l’allumette.

Le chlorate, oxydant, se décompose sous l’effet de la chaleur de la flamme en chlorure et libère de l’oxygène selon KClO₃ → KCl + 3/2 O₂ (gaz)

Le trisulfure de diantimoine est un réducteur et sert de combustible, permettant ainsi à la flamme de se maintenir.

Il se forme simultanément du trioxyde de diantimoine et du dioxyde de soufre, responsable de l’odeur que l’on perçoit.

Les réactions mises en jeu sont :
Sb₂S₃ + 9/2 O₂ → Sb₂O₃ + 3 SO₂

ou globalement Sb₂S₃ + 3 KClO₃ → Sb₂O₃ + 3 SO₂ + 3 KCl

Et ce bel enchaînement de réactions ne dure que quelques dixièmes de secondes !

La cire de paraffine, qui est aussi un bon combustible, va permettre à la flamme de se propager le long de la tige de bois.

Quant au phosphate d’ammonium dont le bois est imprégné, il joue le rôle de retardateur de combustion afin que l’allumette ne brûle pas trop vite, et limite la formation des fumées lorsque l’allumette s’éteint.

La fabrication des allumettes en France a pendant plus d’un siècle été un monopole d’état (représenté par la SEITA). La dernière usine de Saintines dans l'Oise a fermé en 1993, elle fabriquait environ 15 milliards d'allumettes sur les 22 milliards consommées en France et consommait alors 8400 m3 de bois de peuplier. Depuis la consommation chute de 2 à 4% par an, concurrencée par les allume-gaz et les briquets.

Pour voir en images et au ralenti le processus d’inflammation d’une allumette tout en identifiant les réactions qui se passent, regardez la vidéo « How Do Matches Work ? » sur la chaine Youtube de l’American Chemical Society.

Françoise Brénon

(1) Une variété allotropique correspond à une forme cristalline ou moléculaire. Le phosphore rouge a un enchainement structural semblable à un polymère :

source http://www.compoundchem.com/2014/11/20/matches/

(2) On utilise du chlorate de potassium qui est non hygroscopique (absorbe peu ou pas l’humidité de l’air) contrairement au chlorate de sodium.

(3) Le phosphore blanc est une autre variété allotropique du phosphore . Sa structure découle d’une « dépolymérisation « du phosphore rouge et est :

source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Phosphore_blanc 

Il est très inflammable. On pourra lire à son sujet la ressource « Le phosphore et l’invention des allumettes ».

Lors d'une séance en classe de seconde en enseignement d'exploration « sciences et laboratoire », M. François Bourliot, professeur de physique-chimie au lycée Pierre Gilles de Gennes - ENCPB, utilise le site Mediachimie pour accompagner l’exploitation d’un TP.

À cette occasion, Mme Françoise Brénon, professeure de chimie et membre du comité éditorial de Mediachimie, présente ce site à l’aide d’exemples. Au cours de cette séance, deux vidéos ont été réalisées par le service vidéo de l’académie de Paris :

• une version courte (7 min) consacrée à la présentation de Mediachimie et dans laquelle M. François Bourliot explique pourquoi et comment il l'utilise dans son cours ;
• une version longue (14 min) inclut l’intégralité de la version courte et permet également de suivre une partie de la classe dans exploitation d'un TP d'exploration portant sur l’oxydo-réduction, avec l'utilisation de Mediachimie.

et ils sont caractérisés par des doubles liaisons C=O et des ponts d’oxygènes greffés entre des radicaux carbonés. L’un des plus simples est le peroxyde d’hydrogène H-O-O-H ou eau oxygénée (1), antiseptique et comburant dans les fusées, mais aussi agent de synthèse oxydant en chimie organique. Les peroxydes sont utilisés en pharmacochimie (2) et aussi comme plastifiants (3), dans la fabrication des plastiques et des composites fibreux (4). Il y a plus de dix types de peroxydes organiques, citons le peroxyde de dibenzoyle utilisé comme agent thérapeutique contre l’acné et agent de blanchiment comme le peroxyde de lauroyle dans l’industrie alimentaire (5). D’autres peroxydes comme ceux des carbonates, de cétones et d’esters sont utilisés dans les polymères et diverses industries y compris cosmétiques (6), où l’on a besoin d’un réactif d’oxydation.
Ce sont des composés à la fois oxydants et comburants et donc instables car ils réunissent dans un même composé du carbone et de l’hydrogène (comburants) qui ne demandent qu’à réagir avec l’oxygène (oxydant) pour donner du CO₂ et H₂O. Ils se décomposent facilement sous l’action de la chaleur. La montée en température au-dessus de la « température de décomposition accélérée » (SADT en anglais) entraine une décomposition exothermique avec possibilité d’auto-accélération et auto-combustion d’où explosion (7).

C’est pourquoi on les stocke dans des containers refroidis où la température doit rester en général au-dessous de 20 °C. La panne d’alimentation électrique a provoqué la décomposition et la combustion des containers sur le site de Crosby, malgré toutes les précautions prise par les services de l’usine en doublant les circuits de réfrigération (8). La direction locale d’ARKEMA a décidé de déclencher l’incendie des produits restants en accord et liaison avec le « Chemical Safety Board », l’agence fédérale de sûreté chimique afin de mettre en sécurité le site (9).

Jean-Claude Bernier
Septembre 2017

Quelques ressources pour en savoir plus :

1) Découverte du peroxyde d’hydrogène (eau oxygénée)
2) Le vieillissement cutané : prévention et réparation
3) L’analyse des peintures automobiles
4) Matériaux composites à matrice polymère
5) Alimentation : les différentes facettes de la qualité
6) La chimie au cœur de l’innovation en parfumerie-cosmétique : le contexte économique et réglementaire et les défis de la recherche
7) Une enquête explosive
8) Apport de REACH dans l’amélioration de la connaissance des dangers des substances pour Arkema
9) Du produit aux installations : apport des sciences chimiques pour renforcer la sécurité
 

Le volume 4 de la collection Chimie et... Junior est paru. 

L’avenir de la planète dépend de l’évolution du climat et des sources d’énergie utilisées et utilisables dans le futur. Comprendre les problèmes à résoudre pour faire les choix et les efforts nécessaires concerne tous les habitants de la Terre pour longtemps.

Dans le domaine du climat comme dans celui de l’énergie, les chimistes sont au service de la transition énergétique à travers de nombreux métiers qui se développent et se diversifient. Les fiches professionnelles permettent de mieux les connaître.

Enfin avec le coin des jeux testez en famille les connaissances en chimie et en mathématique dans ce domaine.

En savoir plus et commander l'ouvrage "La Chimie, l’Énergie et le Climat"

La collection Chimie et... Junior a pour objectifs :

• d’illustrer par des exemples issus de récents résultats de la recherche académique et industriel, le programme du cycle 4 des collèges ;
• de faire agréablement découvrir aux collégiens et aux lycéens, l’importance des sciences de la chimie dans la vie quotidienne, notamment dans les domaines porteurs, afin de les aider à choisir leur orientation et à préparer leur avenir professionnel.

Le point faible de l’électricité produite par les éoliennes ou les panneaux photovoltaïques (1), c’est l’intermittence. Les media nous ont habitués aux abus de langages « la puissance de ce parc photovoltaïque ou de cette ferme d’éoliennes permet d’alimenter une ville de 50 000 habitants » … Et bien non ! Que feront ces malheureux la nuit ou les jours nuageux et sans vent, privés de chauffage, d’éclairage, de téléphone et d’ascenseur ? Se pose donc le problème de stocker l’électricité (2) non pas à l’échelle de quelques watts pour votre smartphone mais à quelques centaines de mégawatts pendant au moins 24 heures.

Elon Musk, le médiatique président de TESLA, a saisi l’opportunité qui se présente en Australie-Méridionale, frappée de black-out répétitifs dus à l’arrêt de centrales au charbon, à l’excès de renouvelables et à la désorganisation de son réseau par des pluies diluviennes (3). Les industries du sud de l’Australie, et en particulier les zones portuaires d’Adélaïde et de Perth, réclament à cor et à cri la construction d’une centrale thermique à gaz pour les alimenter. Suite à un appel d’offre du gouvernement méridional, Elan Musk leur propose d’installer un stockage de 100 MW (129 MWh) à Jamestown près du parc éolien de Hornsdale géré par le français Neoen (4), utilisant sa technique Powerpack, composée de 788 armoires comportant chacune 16 batteries lithium-ion (5) avec leurs composants électroniques de charge/décharge et onduleurs programmés. Il propose au Premier ministre du gouvernement de le lui livrer en 3 mois, d’ici décembre 2017, au prix de 250 $ le KWh (ce qui fait tout de même 33 millions de $) et gratuitement s’il ne tient pas les délais ! On connaissait déjà ses batteries Powerwall de Tesla pour les particuliers désireux d’autoconsommer leur électricité solaire de 6 à 14 KWh mais là, il franchit un sacré palier. Il ne craint pas de dire que c’est la plus importante unité de stockage en batteries au monde ; ce n’est pas tout à fait exact car le chinois Rongke Power et l’américain UET construisent près de Dalian en Chine un ensemble de batterie flux vanadium (redox) d’une capacité de 200 MW (6). En dehors de la performance technologique, on peut réfléchir au prix fourni en prenant une durée de vie de 3 ans et 1000 cycles décharges/recharges qui met le prix à 0,25 € du KWh stocké. L’investissement pour un terawatt-heure (TWh) serait suivant cette technologie de 250.10⁹ soit 230 milliards d’euros de 250.10⁹ dollars, soit 230 milliards d’euros, et immobiliserait 300 000 tonnes de lithium. Calculez combien il faudrait pour stocker la moitié de la production photovoltaïque française, 4,5 TWh. C’est sûr, même en baissant les prix et en améliorant la durée de vie ce n’est pas encore la solution (7).

Jean-Claude Bernier
Août 2017

Quelques ressources pour en savoir plus :

(1) Un exemple d’énergie renouvelable : les panneaux solaires photovoltaïques
(2) Matériaux pour conversion et stockage de l’énergie : avancées et challenges
(3) Le challenge de l’électricité verte
(4) Stockage de l’électricité : élément clé pour le déploiement des énergies renouvelables et du véhicule électrique
(5) Piles à combustible et batteries au lithium
(6) Les enjeux de la chimie dans la production d’électricité
(7) L’hydrogène qui valorise les énergies renouvelables (vidéo 7:36)