Décomposition au quotidien | Caractéristique

Un exemple qui illustre particulièrement bien le concept d’une réaction de rupture est la réaction qui se produit à l’intérieur d’un bâton lumineux lorsque vous le cassez. Les bâtons lumineux contiennent deux réactifs chimiques séparés par un cylindre en verre – jusqu’à ce que vous cassiez le verre et que les deux se mélangent. Ce mélange déclenche une réaction immédiate produisant un composé très instable (les chimistes tentent depuis des décennies de confirmer son identité). Il est si instable qu’il se décompose rapidement, libérant du dioxyde de carbone (CO₂) et, surtout, l’énergie. Le colorant coloré dans le bâton lumineux absorbe l’énergie, la faisant briller (ou briller).

Fractionnement de l’eau

Certaines réactions de décomposition divisent les composés en leurs composants les plus élémentaires, comme dans le cas de la décomposition de l’eau. Cette réaction particulière attire beaucoup d’attention scientifique car elle peut être utilisée pour produire de l’hydrogène comme carburant. Aussi connue sous le nom de séparation de l’eau, c’est une réaction que vous avez peut-être expérimentée vous-même dans un cours de sciences. Vous pouvez y parvenir très simplement, mais uniquement avec le bon équipement. «Cela ne se produit pas spontanément: cela doit être fait d’une manière très spécifique en utilisant un processus appelé électrolyse», explique Anna Hankin, responsable du laboratoire des systèmes électrochimiques de l’Imperial College de Londres.

Comme le souligne Anna, nous ne pouvons pas réaliser cette réaction de décomposition en chauffant parce que l’eau s’évapore. Ainsi, dans le laboratoire de l’école, nous prenons un bécher d’eau et y plaçons quelques électrodes. Lorsque les électrodes sont connectées à une batterie, le courant provoque la décomposition de l’eau en ses éléments constitutifs, l’hydrogène et l’oxygène. C’est une expérience intéressante car vous pouvez observer les deux gaz bouillonner – l’oxygène à l’électrode positive et l’hydrogène à la négative – et même les capturer dans des tubes à essai. Cela n’est devenu possible qu’à l’époque où l’« oxygène » de Lavoisier était de plus en plus accepté, après l’invention de la pile par le physicien italien Alessandro Volta en 1800.

Aujourd’hui, la plupart de l’hydrogène est produit à partir de combustibles fossiles. L’une des applications intéressantes de la décomposition de l’eau est donc la voie de production d’hydrogène propre – un carburant qui ne produit aucune émission de carbone lorsqu’il brûle – pour les véhicules à hydrogène. Bien sûr, fabriquer de l’hydrogène de cette manière nécessite de l’électricité pour l’électrolyse. « Le hic, c’est que l’hydrogène que vous obtenez de l’électrolyse de l’eau n’est bénéfique pour l’environnement que si l’électricité que vous y mettez n’est pas issue de la combustion de combustibles fossiles », explique Anna. Nous ne pouvons donc pas brancher un gobelet d’eau dans une prise électrique standard et prétendre que nous avons fabriqué de l’hydrogène « vert » si cette prise est alimentée par des centrales électriques au charbon. Il est cependant possible de faire la même réaction de décomposition et de fabriquer de l’hydrogène tout en étant branché sur un panneau solaire ou une éolienne. En fait, sur les îles Orcades, ils alimentent ainsi plusieurs camionnettes zéro émission grâce à l’électrolyse alimentée par l’excès d’énergie éolienne de ses turbines.

Les scientifiques veulent intégrer la décomposition de l’eau à l’énergie solaire dans un seul appareil qui peut utiliser directement la lumière pour décomposer l’eau et cela, il s’avère, est beaucoup plus difficile à faire. « Cette intégration est logique », déclare Anna, « mais cela signifie que vous devez maintenant résoudre toutes les choses délicates que les scientifiques et les ingénieurs ont dû résoudre pour chacun des systèmes distincts dans un seul système. » C’est une question difficile, mais Anna pense que les dispositifs de décomposition de l’eau pourraient au moins être utilisés dans les petites communautés et les applications de niche comme, par exemple, les drones et les tondeuses à gazon à hydrogène.

Briser l’eau de Javel

Bien que nous soyons dans quelques années avant d’avoir nos propres drones propres à hydrogène, il y a des réactions de décomposition que nous utilisons tous les jours. Lorsque nous nettoyons nos salles de bains, par exemple, ou que nous nous colorons les cheveux ou même que nous remplissons nos imprimantes avec des feuilles de papier d’impression blanches et nettes. Peroxyde d’hydrogène (H₂O₂) est la base de certains désinfectants. Vous pouvez également le connaître sous le nom d’eau de Javel ou de peroxyde à forte odeur utilisé dans les teintures capillaires pour éclaircir les cheveux. En tant qu’agent de blanchiment, il utilise le pouvoir chimique d’atomes d’oxygène réactifs pour détruire les molécules appelées chromophores qui donnent aux choses, comme vos cheveux, leur couleur. Cet oxygène, avec l’eau, est produit dans une réaction de décomposition.

Le peroxyde d’hydrogène a été découvert en 1818 par un autre chimiste français, Louis Jacques Thénard. Dans l’une des expériences de Thénard, il a mélangé du peroxyde d’hydrogène avec du sang, démontrant que quelque chose dans le sang provoquait la réaction de décomposition, libérant de l’oxygène. Bien qu’à l’époque, les catalyseurs n’aient pas été découverts, peu de temps après, le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius a inventé le terme catalyse pour décrire ce facteur « go », en utilisant la décomposition du peroxyde d’hydrogène par le sang comme exemple. Il s’avère que le sang contient une enzyme, la catalase, qui dépend du fer pour accélérer la réaction.

Cette même réaction peut être observée dans le pétillement d’une plaie fraîche si vous utilisez du peroxyde d’hydrogène pour nettoyer les coupures et les écorchures – bien que cela ne soit pas recommandé par les professionnels de la santé de nos jours. Le peroxyde d’hydrogène (également connu sous le nom d’agent de blanchiment sans chlore) est destiné au nettoyage des cuisines, des salles de bain et des instruments chirurgicaux, plutôt qu’à une utilisation directe sur la peau. L’oxygène réactif libéré lors du processus de décomposition tue les bactéries propagatrices de maladies et autres agents nocifs, mais il ne fait pas de distinction entre ces envahisseurs unicellulaires et les cellules de notre propre corps, même aux concentrations plus faibles que nous utilisons dans nos maisons, il peut donc endommager la peau.

Outre l’eau de Javel, l’une des applications les plus importantes de la réaction de décomposition du peroxyde d’hydrogène se trouve dans les papeteries, où les concentrations utilisées sont généralement beaucoup plus élevées. Comme l’explique Carl Houtman, ingénieur chimiste du Service forestier du Département américain de l’agriculture, le besoin de blanchir le papier n’est apparu que lorsque la demande de papier a commencé à dépasser l’offre de fibres blanches pour le fabriquer. «Au début de la production de papier, des fibres naturellement blanches étaient souvent utilisées, par exemple des chiffons en coton ou en lin», explique-t-il. « Comme la demande de papier a dépassé l’offre de fibres blanches, le bois est devenu la fibre de choix. » Ensuite, des produits chimiques ont été nécessaires pour détruire les composés porteurs de couleur du bois, le faisant passer du brun au blanc.

Bien que les agents de blanchiment à base de chlore puissent également être utilisés pour blanchir le papier, leurs déchets sont plus polluants pour les cours d’eau et, par conséquent, la décomposition du peroxyde d’hydrogène est devenue le premier choix de l’industrie papetière.

Dans les conditions utilisées dans les papeteries, la décomposition du peroxyde d’hydrogène est généralement sans danger. Cependant, la réaction doit être correctement contrôlée ou elle peut aller trop vite, selon Carl. «Comme pour la plupart des réactions chimiques, la décomposition du peroxyde d’hydrogène est rapide à des températures plus élevées, donc une petite réaction conduit à un échauffement de la solution, ce qui entraîne une réaction beaucoup plus importante», dit-il. « Cette accélération automatique de la vitesse de réaction peut entraîner des explosions. » Cela peut se produire lorsque la chaleur et la pression résultant de la production d’oxygène s’accumulent très rapidement. Dans une papeterie du Texas, par exemple, un composant métallique de 100 kilogrammes a été projeté à 100 mètres à travers un mur de briques par la force d’une explosion.

Grâce au travail de Carl, il existe désormais plus de conseils pour les papeteries sur la manière d’effectuer la réaction en toute sécurité. Dans un article récent, Carl et son co-auteur Peter Hart ont montré que limiter à 10 % la concentration de peroxyde d’hydrogène utilisé dans le blanchiment du papier devrait garantir la sécurité du processus. L’usine du Texas a maintenant mis cela en pratique, « afin qu’ils n’aient plus jamais à subir cette explosion », dit Carl.

Agent levant

Il y a une réaction de décomposition que tous les gourmands connaissent, même s’ils ne connaissent pas la chimie. Il s’agit d’hydrogénocarbonate de sodium ou bicarbonate de soude (NaHCO₃), l’ingrédient actif de la levure chimique.

Les boulangers s’inquiètent sans cesse de la « hausse » de leurs produits de boulangerie. Dans les pains à la levure, cette montée est assurée par des bulles de gaz carbonique produites lors de la fermentation. Dans les gâteaux et autres produits sucrés, cependant, le dioxyde de carbone provient de la décomposition de l’hydrogénocarbonate de sodium. La réaction commence à environ 80°C, c’est donc un autre exemple de décomposition thermique, mais que nous pouvons expérimenter dans nos fours à la maison.

Le processus peut également être vu très clairement lorsqu’il est utilisé dans la fabrication de nid d’abeille, un simple mélange de sucre, de sirop et de bicarbonate de soude. Chauffer le sucre et le sirop donne du caramel, puis le bicarbonate se décompose lorsqu’il est ajouté pour produire du dioxyde de carbone, trouant la friandise sucrée qui colle lorsque le nid d’abeilles prend rapidement.

Tout cela montre que casser des choses peut être très utile. Et si jamais vous avez besoin d’une excuse pour faire cuire un gâteau, une démonstration scientifique d’une réaction de décomposition est une très bonne idée.