Ce numéro des Savanturiers définit ce qu’on appelle maintenant la « chimie verte » ou « chimie durable », c’est-à-dire une nouvelle façon de répondre aux futurs besoins de l’humanité (nourrir l’humanité en croissance continue, élaborer des médicaments, potabiliser l’eau, produire l’énergie) tout en limitant l’impact des activités humaines et protégeant l’environnement.

Une animation vidéo d’une durée de 2 minutes environ résume ce que signifie la notion de « chimie verte, pour un futur durable ».

Niveau : Classes de collège (4^e - 3^e)

Certaines plantes peuvent absorber ou réduire la toxicité de différents polluants organiques ou métaux présents dans les sols : c’est ce qu’on appelle la « phytoremédiation ». On peut ainsi redonner de la valeur économique aux sols pollués.

C’est un processus naturel, adapté aux grandes surfaces, respectant l’environnement et valorisant la biomasse. La durée du traitement est cependant longue et les sols ne doivent être que modérément contaminés.

Une version animée d’une durée de 2 minutes environ permet d’illustrer le thème de la phytoremédiation.

Niveau : Classes de collège (6^e-5^e)

Socle :
- Les systèmes naturels et les systèmes techniques
- Les représentations du monde et l'activité humaine

Programme Cycle 4 :
- Organisation et transformations de la matière
- Des signaux pour observer et communiquer
 

Socle :
- Les systèmes naturels et les systèmes techniques
- Les représentations du monde et de l’activité humaine

Programme Cycle 4 :
- Identifier les sources, les transferts et les conversions d’énergie
- Identifier les différentes formes d’énergie
- Établir un bilan énergétique pour un système simple (sources, transferts, conversion d’un type d’énergie en un autre)

Socle :
- La formation de la personne et du citoyen
- Les représentations du monde et l'activité humaine

Programme Cycle 4 :
-  Décrire la constitution de la matière

Socle :
- Les systèmes naturels et les systèmes techniques
- Les représentations du monde et l'activité humaine

Programme Cycle 4 :
- Organisation et transformations de la matière

La formation de l’eau dans notre galaxie daterait de plusieurs milliards d’années. Après la formation du Soleil, le gaz résiduel poussé par le vent solaire se refroidit et se condense pour former des planètes gazeuses constituées au départ d’hydrogène H, d’hélium He, d’ammoniac NH₃, de méthane CH₄ et d’eau H₂O. [...]

Il y a 60 ans, les bâtiments des grandes villes étaient noircis et, souvent en hiver comme parfois maintenant à Pékin, les brouillards stagnaient plusieurs jours et de nombreuses crises d’asthme se déclaraient parmi la population. Les responsables étaient principalement à cette époque le chauffage domestique et l’industrie qui utilisaient surtout le charbon et le fuel non purifié. Ces derniers émettaient, lors de leur combustion, du gaz sulfureux, le dioxyde de soufre (SO₂) et des oxydes d’azote (NO_x) pouvant aussi générer des pluies acides. […]

Guillaume François Rouelle, né en 1703 près de Caen d’une famille de cultivateurs, a entrepris des études de médecine qui l’ont rebuté à cause de la douleur des patients et il s’est alors pris d’une passion pour les manipulations chimiques et les expériences de laboratoire. Il s’est exercé auprès d’apothicaires avant de s’établir près de la place Maubert à Paris. Il avait acquis une telle réputation que Buffon l’a nommé démonstrateur de chimie au Jardin royal des Plantes médicinales en 1743. C’est lui qui a formé les chimistes de l’époque révolutionnaire (Lavoisier, Macquer, Venel, Sage…). Des philosophes (Diderot, Rousseau, Condorcet), des savants (Parmentier, Jussieu), des économistes (Turgot), des hommes d’état (Malesherbes) et des gens du monde venaient suivre ses cours de chimie qui attiraient alors une foule considérable d’auditeurs. Cuvier a dit de lui : « Rouelle était un de ces hommes qui, par une grande vivacité d'élocution, par des idées hardies, une méthode vaste et simple à la fois, savent communiquer même aux gens du monde, l'enthousiasme dont ils sont remplis pour leur art ».

De fait, Rouelle était une personnalité originale, enthousiaste, passionnée par la chimie et sachant communiquer sa passion. Avec pétulance et souvent distraction, il exprimait des vues neuves, hardies, profondes. Dans ses démonstrations, il décrivait des procédés dont il eût voulu dérober le secret à ses auditeurs, mais qui lui échappaient à son insu dans la chaleur du discours, puis il ajoutait : « Mais ceci est un de mes arcanes que je ne dis à personne » et c'était précisément ce qu'il venait de révéler à tout le monde. Brouillon, il exposait, longuement et avec véhémence, ses idées, parfois sans ordre ni précision. Lavoisier avait remarqué : « Il réunissait à beaucoup de méthode dans la manière de présenter ses idées, beaucoup d’obscurité dans la manière de les énoncer ».

C’est ainsi qu’eut lieu, lors d’une de ces démonstrations, l'incident qui faillit être tragique, rapporté d'une manière assez piquante par Friedrich Melchior baron von Grimm (1723-1807), diplomate et homme de lettres bavarois. Il s'agissait précisément de l’expérience de l'inflammation de l'huile essentielle de térébenthine par l'esprit de nitre. Rouelle disait que « pour le succès de l'opération, il suffisait d'un tour de main fort simple et si peu apparent, qu'on peut l'exécuter en présence d'un grand nombre de personnes sans qu'elles s'en aperçoivent ». Ce jour-là, Rouelle expliquait le procédé et la théorie de sa belle expérience. Tout en agitant, avec un tube de verre, le mélange d'acide nitrique et d'essence de térébenthine sur le point d'être converti en charbon, il commençait à ajouter sur le produit la dernière dose d’acide nitrique mise en réserve, puis, se tournant brusquement vers l'auditoire pour achever l'explication : « Vous voyez ce chaudron sur ce brasier ? Et bien si je cessais de remuer un seul instant, il s’en suivrait une explosion qui nous ferait tous sauter en l’air. Ce disant, il oublie de remuer le mélange et la prédiction s’accomplit ! L’explosion a lieu avec grand fracas, toutes les vitres sont brisées, l'amphithéâtre est rempli d'une fumée épaisse et suffocante et tous les auditeurs se retrouvent dans le Jardin. Heureusement, personne ne fut blessé et le démonstrateur en fut quitte pour une perruque et la perte de ses manchettes ».

L’expérience que Rouelle était en train de réaliser concernait un travail sur l'inflammation des huiles essentielles, au moyen de l'esprit de nitre (acide nitrique). Ce travail qu’il avait publié en 1747 fixa au plus haut degré l'attention des savants et du public, car il y avait là une expérience qui parlait aux yeux, qui faisait naître de grandes idées d'application à l'industrie et à l'art de la guerre. Rouelle se plaisait à la répéter dans ses leçons. Le succès de l'expérience dépendait en effet d'une sorte de tour de main que, avec sa sagacité ordinaire, il avait découvert. Il s'agissait uniquement d'amener l'huile essentielle à l'état de charbon par la plus faible quantité possible d'esprit de nitre, puis d'en ajouter subitement une nouvelle dose, qui aussitôt déterminait l'inflammation. Il alla jusqu'à enflammer ainsi des huiles grasses. Il ajoutait alors une petite quantité d'acide vitriolique (acide sulfurique), non point, comme on le croyait avant lui, pour ajouter son énergie propre à celle du premier acide, mais bien, pour lui enlever une certaine proportion d'eau. Puis, il déterminait l'inflammation par l'addition d'une petite quantité d'acide nitrique qu'il avait mise en réserve.

Karl Josef Bayer (1847-1904) met au point l’obtention industrielle de l’alumine à partir de la bauxite et participe ainsi au développement ultérieur de l’industrie de l’aluminium. Il travaille, en France, à Gardanne avec Paul Héroult (1863-1914). Ce chimiste autrichien ne doit pas être confondu avec Friedrich Bayer (1825-1880), le fondateur de l’entreprise Bayer.

C’est à Bielitz, en Silésie que nait le 4 mars 1847, Karl Josef Bayer.

Il passe son enfance et son adolescence dans cette ville où il commence des études d’architecture pour faire plaisir à son père alors que ce sont les sciences et en particulier la chimie qui l’attirent. C’est pourquoi, en 1867, il est à Wiesbaben dans le laboratoire de Remigius Fresenius (1818-1897).

Puis, il va à Charleroi en Belgique travailler dans une usine sidérurgique avant de se rendre, en 1869, à Heidelberg, dans le laboratoire de Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899). Il étudie le césium et le rubidium qui sont des éléments chimiques trouvés par Bunsen dans le minerai appelé lépidolite. Ils appartiennent tous deux à la famille des alcalins. C’est l’indium qui est l’objet de sa thèse soutenue en 1871. L’indium a été trouvé en quantité infime dans les minerais de zinc et isolé en 1867. De nos jours, il est utilisé sous forme d’oxyde d’indium dans l’affichage à cristaux liquides des écrans plats LCD ( liquid crystal display).

Il obtient un poste d’assistant en chimie à la Technische Hochschule de Brünn en Moravie, l’actuelle Brno en République tchèque. Il fonde, dans cette ville, en 1873, un laboratoire de recherches et de conseils en chimie.

En 1880, il quitte la Moravie pour la Russie où il restera 14 ans. Il travaille à Tentelev près de Saint-Petersbourg dans une usine de colorants pour tissus. Cette usine utilise l’alumine pour teindre les toiles et c’est ainsi qu’il va faire ses premières découvertes concernant l’alumine. Il dépose des brevets en Angleterre en 1888 et en Allemagne en 1889 et une usine est immédiatement construite à Tentelev.

En 1892, il met au point le procédé d’extraction de l’alumine à partir de la bauxite. La bauxite est une roche riche en oxyde d’aluminium. La bauxite doit son nom au minéralogiste et géologue français Pierre Berthier (1782-1861) qui la découvre en 1821 près des Baux-de-Provence. La bauxite broyée est attaquée par la soude à haute température et sous pression conduit après plusieurs étapes à un oxyde d’aluminium, l’alumine. Ce procédé est encore utilisé de nos jours et appelé procédé Bayer.

Puis il part à Ielabouga en Sibérie, actuellement au Tatarstan, où il construit une usine d’extraction de l’alumine.

Il se rend ensuite au Royaume-Uni, aux Etats-Unis et en France afin de réaliser des usines d’extraction de l’alumine. En France, il travaille à l’usine de Gardanne, c’est là qu’il rencontre Paul Héroult (1863-1914).

L’usine de Gardanne a été créée en 1893. Les rapports entre les deux hommes ne sont pas bons, le procédé mis au point par Bayer pose de nombreux problèmes liés aux contraintes industrielles et demande beaucoup d’améliorations.

Alors que Bayer s’intéresse à l’alumine, Héroult profite de la découverte de Bayer pour développer l’obtention de l’aluminium à partir de l’alumine. Ce métal a été obtenu par voie chimique en 1854 par Henri Sainte-Claire Deville (1818-1881) et à cette époque c’est un métal précieux car son prix de revient est élevé.

L’électricité ayant fait de très grands progrès, Héroult obtient de l’aluminium par électrolyse en 1886.

Ce procédé est mis au point la même année par un américain Charles Hall (1863-1914). Actuellement l’aluminium est obtenu par voie électrolytique par le procédé Héroult-Hall. L’aluminium est un métal léger, résistant à la corrosion, excellent conducteur thermique et électrique et recyclable. De nos jours, l’aluminium est utilisé dans les transports, le bâtiment et aussi dans les cuisines.

En 1894, Bayer rentre en Autriche et s’installe à Rietzdorf en Basse-Styrie. Il meurt le 22 octobre 1904.

La Société chimique autrichienne décerne tous les six ans depuis 1961, la médaille Bayer à un chercheur qui s’est illustré dans le domaine de l’aluminium.

Pour en savoir plus :

• Henri Sainte-Claire Deville Les débuts de l’industrie de l’aluminium, Rev. Hist. Sci. Appl., vol.2, n°4 (1949) pp. 352-357
• Produits du jour de la Société Chimique de France (sélectionner alumine et aluminium)
• Réaction en un clin d’œil Comment faire des casseroles avec de la bauxite ?

Karl Josef Bayer
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