Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Géochimie de l’Environnement Guillaume Calu – ICES 2020-2021 Chapitre 1 : Chimi

Géochimie de l’Environnement Guillaume Calu – ICES 2020-2021 Chapitre 1 : Chimie Atmosphérique 1. Chimie Atmosphérique 1.1 L’atmosphère terrestre 1.1.1 Composition de l’atmosphère 1.1.2 Unités et gaz parfaits 1.1.3 Les ultra-violets 1.2 Chimie stratosphérique et couche d’ozone 1.2.1 Formation de l’ozone stratosphérique 1.2.2 Destruction de l’ozone et cycle de Chapman 1.2.3 Processus catalytiques de destruction de l’ozone 1.2.4 Les trous dans la couche d’ozone 1.2.5 Composés d’origine anthropique et destruction de l’ozone 1.3 Pollutions atmosphériques 1.3.1 Familles de polluants atmosphériques 1.3.2 Dispersion des polluants dans l’atmosphère 1.3.3 Chimie de la basse troposphère 1.3.4 Ozone urbain et smog photochimique 1.3.5 Émissions de produits soufrés et pluies acides 1.3.6 Matières particulaires et qualité de l’air 1.4 Effet de serre et changement climatique 1.4.1 L’effet de serre 1.4.2 Les principaux gaz à effet de serre Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 1.1 – L’atmosphère terrestre Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 1.1.1 – Composition de l’atmosphère L’atmosphère terrestre se compose (pour un m3 d'air sec) : • 78% diazote N2 • 21% dioxygène O2 • >1% argon Ar • 0,04% dioxyde de carbone CO2 A cette atmosphère sèche se rajoute la composante humidité (soit 1 à 5% de vapeur d’eau). 1.1 – L’atmosphère terrestre Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 Troposphère 0 ~ 15 km : 85% de la masse totale de l’atmosphère Stratosphère ~15-50 km : délimitée par deux inversions de température. Mésosphère 50-80 km Thermosphère >80 km : débute par l’ionosphère, basse-couche des aurores boréales. - Ligne de Kármán (100 km) frontière astronautique de l’espace. - Station ISS : 800 km d’altitude. 1.1 – L’atmosphère terrestre Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 1.1.2 – Unités et gaz parfaits Les gaz présents dans l’atmosphère suivent la loi des gaz parfaits : P.V = n.R.T P (en Pa) pression exercée par le gaz V (en m3) volume occupé par le gaz n (en mol) quantité de matière présente R (en J.mol-1.K-1) = 8,314 (constante des gaz parfaits) T (en K) température absolue du gaz 1.1 – L’atmosphère terrestre Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 En chimie, l’activité d’un gaz correspond à la pression partielle de ce gaz. Pi = Xi.Ptot Xi : fraction molaire d’un gaz i Σ(Pi) = Ptot Xi = ni / ntot La fraction molaire Xi peut également s’exprimer en parties par million (ppm) soit le nombre de molécules dispersées dans 106 molécules d’air. De même le ppb (parties par milliard 109) et le ppt (parties par trillion 1012). Exemple : 100 ppm d’un gaz = 100 molécules de ce gaz pour 106 molécules d’air. Soit Xi = 100 / 106 = 10-4 1.1 – L’atmosphère terrestre Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 Il est possible de calculer la concentration particulaire, molaire ou massique d’un gaz dans un volume d’air. S’il n’existe pas de consensus particulier sur les unités appropriés, la concentration d’un gaz dans l’atmosphère s’exprime en : • molécules de gaz par cm3 d’air (molecules/cm3) • moles de gaz par litre d’air (mol/L) • microgrammes de gaz par mètre cube d’air (µg/m3) Les unités utilisées varient suivant la norme et le pays consultés. 1.1 – L’atmosphère terrestre Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 - Conversion de ppm en concentration gazeuse : 106 molécules d’air correspondent à : n(air) = 106 / Na = 1,66. 10-18 mol A pression atmosphérique (1 atm) ; 298 K ; le volume d’air est de : 18 20 3 5 1,66.10 .8,314.298 4,05.10 1,013.10 nRT V m P − − = = = Ce volume de référence peut alors servir à résoudre les concentrations voulues par conversion d’unité. 1.1 – L’atmosphère terrestre Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 • Concentration en molécules de gaz par cm3 d’air (molécules/cm3) • Concentration en moles de gaz par litre d’air (mol/L) • Concentration en microgrammes de gaz par mètre cube d’air (µg/m3) [ ] 14 ( ) 4,05.10 x ppm Cgaz − = [ ] 17 ( ) .4,05.10 x ppm Cgaz Na − = [ ] 6 20 ( ) . ( ).10 .4,05.10 x ppm Cgaz MM gaz Na − = 1.1 – L’atmosphère terrestre Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 1.1.3 – Les ultra-violets La lumière solaire comprend un large spectre électromagnétique selon l’énergie de chaque photon émis. E = h.v et λ.v = c donc E = h.c/λ h = 6,62.10-34 J.s (constante de Planck) c = 2,99.108 m.s-1 1.1 – L’atmosphère terrestre Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 Les rayons UV sont délétères pour les organismes vivants. Heureusement, le dioxygène et l’ozone absorbent respectivement dans l’UV entre 70-250 nm et 220-320 nm. https://www.researchgate.net/publication/261672427 1.1 – L’atmosphère terrestre Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 Le dioxygène gazeux O2 au-dessus de la stratosphère filtre la plus grande partie des UV (120-220 nm) et des rayons λ < 120 nm. Grâce à la mésosphère et la stratosphère riches en O2 et en N2 quasiment aucun rayon UV de λ < 220 nm n’atteint la surface de la Terre. L’ozone stratosphérique filtre les λUV entre 220-320 nm. Structure en résonance de l’ozone O3 1.1 – L’atmosphère terrestre Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 1.1 – L’atmosphère terrestre Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 Tableau : rayons UV filtrés par le dioxygène et l’ozone des hautes couches atmosphériques Type UV λ (nm) Filtre UV-C 100-280 nm > 99% N2 , O3 / O2 stratosphère et couches supérieures UV-B 280-320 nm 87-90% O3 stratosphère UV-A 320-400 nm 0 % Non-filtrés Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 1.1 – L’atmosphère terrestre Les UV-C sont absorbés par l’ozone et le dioxygène stratosphérique et mésosphérique. Ce sont les plus énergétiques (longueur d’onde la plus basse) et seraient très dangereux pour les organismes vivants. Les UV-B sont quasi-filtrés par l’ozone stratosphérique. Ce sont les plus énergétiques UV atteignant la surface terrestre et peuvent avoir un effet biologique. L’ozone des couches atmosphériques supérieures garantit donc une bonne protection anti-UV. Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 1.1 – L’atmosphère terrestre Effet des rayons UV sur l’ADN (courbe noire) et intensité du rayonnement à la surface de la Terre (courbe tirets) (Setlow, 1974). Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 1.1 – L’atmosphère terrestre Les UV-B peuvent provoquer des dégradations de l’ADN et induire des cancers de la peau (25% mortalité). La très grande majorité de ces cancers cutanés sont des mélanomes bénins. De très fortes expositions même de courte période dès l’enfance aux UV-B augmentent sensiblement le risque de développer un mélanome malin. Une diminution de 1% de la densité de l’ozone stratosphérique augmente de 2% l’intensité des UV-B au sol. Depuis les années 50-70, la société des loisirs a changé notre mode de vie occidental, expliquant la hausse de mortalité liée aux mélanomes cutanés malins. Il faut 15-25 ans entre la première exposition et le développement des mélanomes. Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 1.1 – L’atmosphère terrestre Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 1.1 – L’atmosphère terrestre Population les plus sensibles : à peau blanche, à mode de vie sédentaire et enfermé. Mortalité plafonnant dans les pays développés du fait d’expositions de plus en plus fréquentes malgré prévention (« paradoxe de la crème solaire »). Les crèmes solaires sont elles même potentiellement dangereuses suivant leur formulation ! La formulation classique contient des nanoparticules (oxydes de titane) de 10-9 m de diamètre qui reflètent et dispersent les rayons UV. Ces composés peuvent libérer de l’oxygène photoactivé, forme toxique. L’industrie associe les oxydes de titane avec des composés organiques pour éviter cela. Le PABA (acide p-aminobenzoïque). Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 1.1 – L’atmosphère terrestre OH O N H2 Acide p-aminobenzoïque Le PABA a dû être remplacé à son tour car cancérigène cutané ! Autre problème de santé lié aux UV : dégénérescences maculaires en cas de trop fortes et fréquentes expositions au soleil. Mais le soleil est également bon pour la santé : Il favorise la biosynthèse de la vitamine D indispensable à la croissance des os et leur régénération naturelle. Il active les voies métaboliques d’oxydation. Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 1.2 – Chimie stratosphérique et couche d’ozone 1.2.1 – Formation de l’ozone stratosphérique A partir de la mésosphère, la pression atmosphérique est si faible et les rayons UV-C absorbés si énergétiques que l’oxygène est présent sous forme atomique. ΔH° = 498,4 kJ/mol . 2 2 h O O ν  → Géochimie de l’Environnement – Licence 3 - ICES 2020-2021 1.2 – Chimie stratosphérique et couche d’ozone Un rayon UV λ = 240 nm fournit une énergie E = h.c/λ Soit pour 1 mole de photons (Na = 6,022.1023 mol-1) l’équation suivante : 34 8 23 . . 6,62.10 .2,99.10 .6,022.10 h c Na E λ λ − = uploads/Geographie/ cours-chimie-atmosphere-gcalu.pdf