L`ozone au coeur de la chimie atmosphérique - Futura
Dossier>L’ozoneaucoeurdelachimieatmosphérique Futura-Sciences
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chimie-atmospherique-771/
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L’ozoneaucoeurdelachimieatmosphérique
L'ozoneestunemoléculeremarquable.Toutàlafoispoisonetprotecteurdeladeviecontinentale,cette
moléculecaractériseàelleseuletoutelachimieatmosphérique.Fortementoxydante,elledégradedans
les basses couches de l’atmosphère la matière organique et nuit au bon fonctionnement du vivant.
Absorbeurdurayonnementultravioletdanslahauteatmosphère,elleprotègelesorganismesterrestres
decerayonnementaupouvoirdestructeur.Cetteambivalenceenfaitunemoléculefascinante.
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L'ozoneestunemoléculeremarquable.Toutàlafoispoisonetprotecteurdeladeviecontinentale,cette
moléculecaractériseàelleseuletoutelachimieatmosphérique.Fortementoxydante,elledégradedans
les basses couches de l’atmosphère la matière organique et nuit au bon fonctionnement du vivant.
Absorbeurdurayonnementultravioletdanslahauteatmosphère,elleprotègelesorganismesterrestres
decerayonnementaupouvoirdestructeur.Cetteambivalenceenfaitunemoléculefascinante.
Dès sa découverte, l’ozone a fasciné aussi bien les chercheurs que les industriels.Cette molécule occupe la
deuxièmeplacedanslaclassificationdesmoléculesoxydantes,justederrièreledangereuxfluorgazeux.
Sasimplicitédefabrication,sespropriétésbactéricidesetl’absencedesousproduitsdedégradationontfaittout
desuiteunemoléculeattrayantepourdesapplicationsindustriellesavantqu’ellenesoitdétrônéeparlechlore.
LefrançaisMariusPaulOtto,premièrepersonneàavoirindustrialisélaproductiond'ozoneavecsasociété
'CompagniedesEauxetdel’Ozone'pourladésinfectiondel'eau.
L’ozoneest présentedansl’atmosphèreterrestre àrelativement hauteconcentrationpourunoxydant
(0.000004%toutdemêmeauniveaudelasurface).Ellesymboliseàelleseulelepouvoiroxydantde
notreatmosphère. Car si l’atmosphère terrestre contient plus de 20% d’oxygène moléculaire, c’est avant tout
l’ozone et ses sous produits radic alaires qui la rendent réac tive. Appréciant partic ulièrement la matière organique
qu’elle dégrade rapidement, elle constitue un poison pour les organismes à forte concentration.Placée dansla
hauteatmosphère,ellefiltrelerayonnementultravioletetprotègel’ADNdesespècesvivantsurlaterre
01/04/2008-Par
JöelSavarino,Chimisteatmosphère-cryosphère
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fermed’unedestructioncertaine.Cetteambiguïtéestparfoissourcedeconfusionpournosconcitoyens.
Aucoursdecedossier,àtraversunparcourshistorique,nousaborderonslespropriétésfascinantesde
cette molécule, l'ozone stratosphérique, l'ozone troposphérique... et tenterons de clarifier cette
ambivalence.
Page2/8-Découverte,structure,propriétéetusage
L’ozone(O3)estunallotropedel’oxygènetoutcommelediamantetlegraphitesontdesallotropesdu
carbone. Elle est formée par l’association de trois atomes d’oxygène et se présente sous la forme d’un triangle
isocèled’angleausommetde116°45’etdedeuxliaisonsinteratomiquesde1,27810-10m.Sastructurechimique
peut êtrereprésentéepar unhydridederésonancededeuxétats métastables(enfaite4par effetdesymétrie)
où chaque liaison chimique est une alternance entre une simple et double liaison covalente, justifiée par une
distanceinteratomiquescompriseentrecesdeuxextrêmes.Cettestructureconfèreàcettemoléculeuncaractère
métastabledans les c onditions ambiantes. L’ozone a une tendanc e naturelle à se déc omposer en dioxygène (O2)
et oxygène atomique (O) ou à réagir avec d’autres composés. Cette capacité à céder facilement un atome
d’oxygèneluiconfèreuntrèsfortpouvoiroxydant,justeaprèslefluor(F2).Atempératureambiante,c’estungaz
quiprendunecolorationbleuepâleàforteconcentration.Ilseliquéfieenunliquidebleufoncéà-111,9°Cetse
solidifieà-192,5°C.
Figure1:Structuremoléculairedel’ozonemontrantlesdeuxformesrésonantes
Les premières découvertes de l’ozone se sont produites au moyen des plus simples méthodes
d’observation:lessensationsdirectes.Uneforteodeur caractéristique aété associéerapidement,dès1775,
au fonctionnement des machines électriques sans l’associer à la présence d’une substance chimique.Il faut
attendre 1839 et les expériences de Christian Schönbein sur l’électrolyse de l’eau pour que celui-ci,
remarquantuneodeursimilaireproposel’existenced’ungazqu’ilnommeraozoneduGrecqueozien«qui
sent».Aprèscettedécouvertel’intérêtpourl’ozonegranditrapidement.
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Figure2:LechimisteAllemandChristianSchönbein,découvreurdel’ozoneen1839.
On découvre rapidement ses propriétés oxydantes et de décoloration de la matière organique, d’élimination des
odeurs nauséabondes, de dégradation du caoutchouc. Les effets sur la santé humaine sont aussi très vite
répertoriés ; l’ozone causant des chocs respiratoires, l’inflammation des muqueuses et dans le cas
d’expérimentations animales à forte concentration, la mort. Des méthodes par réaction chimique spécifique sont
développéespourledétecterdansl’air.
Figure3:Formationd’ozonepardéchargeélectriqueetcondensationdugazsousformed’unliquidebleupar
refroidissementàl’azoteliquide©J.Savarino
Durantledemi-sièclesuivant,l’ozoneestétudiéesoustoutessescoutures. On cherc he à comprendre sa
composition chimique, déterminée comme l’association de trois atomes d’oxygène dès 1865, ses relations
potentiellesavecdesmaladiescommelecholéraoulagrippe,sesapplicationspossiblescommedésinfectantetsa
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présence dans l’atmosphère. La découverte de ses propriétés bactéricides propulse la production d’ozone à
l’échelleindustrielle.
L’ozone est massivement produite non plus par électrolyse, trop peu efficace mais par décharge électrique
d’oxygène moléculaire. Les premières usines d’ozonation de l’eau apparaissent.On compta jusqu’à 49
installationsdetraitementdel’eauparl’ozonedont26enFranceausoirdelapremièreguerremondiale
!Lestravauxsurlesgaztoxiquesetnotammentsur lechlorefreineront leurdéveloppement.Bienquepossédant
unpouvoirdésinfectant etoxydant plusfaible(cequiexplique pourquoilechlore estoxydé par l’ozoneetnonle
contraire,voirl’ozonestratosphérique),lastabilitéetlesbascoûtsdeproductionduchloreenontfaitjusqu’ànos
joursleproduitdésinfectantleplusutilisé.
Notons tout de même un retour en force de l’ozone sur le marché de la désinfection de l’eau (plus de 2000
installations verslafin desannées 80), principalement parcequ’ilne laisse aucune trace dans l’environnement et
ne produit pas de sous-produits toxiques contrairement à la désinfection par le chlore.L’utilisationdel’ozone
estpousséejusqu’àêtreintroduitdanscertainssystèmesd’airconditionnépourletraitementdesodeurs
etladésinfectiondesconduitsd'aération. Dans l’industrie pétroc himique, très tôt les propriétés de c raquage
delamatièreorganiqueparrupturedesdoublesliaisonsC=Cparozonolyseontétémisesàcontribution.Audébut
duvingtièmesiècle,lesgénérateursd’ozoneetl’ozonolysesontcourammentutilisésdansleslaboratoiresdechimie
organique, permettant aux chimistes de casser les grandes molécules organiques et d’en comprendre leur
structure. La similitude entre le craquage du caoutchouc induite par l’ozone et l’ozonolyse des molécules
organiques, sera un élément déterminant dans la reconnaissance et l’identification de l’ozone comme polluant
atmosphérique.L’ozone est aussi utilisé pour le blanchiment du linge ou de la pâte à papier, pour
l’éliminationdestracesdematièreorganiquedanslamicroélectroniqueoulelavagedesalimentsàl’eau
ozoniséedansl’industriealimentaire.
Schönbein fut le premier à proposer une méthode quantitative de mesure de la concentration d’ozone basée sur
desbandelttesdeKIexposéesàuneatmosphèreozonisée.Dèssadécouvertedansl'atmosphère,cestechniques
chimiques pour mesurer l’ozone se développent et s'affinent. Autour des années 1850, on estime qu’elle est
mesurée dans l’atmosphère de plus de 300 villes, totalisant plus d’un million de mesures individuelles qui
malheureusement seront pour la plus part inexploitables par absence de calibration, de présence d’interférences
chimiquesoudebiaismétéorologiques.
Figure4:Générateurd’ozonedeSiemens-1858
Toutefois, le travail remarquable et méticuleux d’Albert Lévy au parc Montsouris de 1876 à 1910 permettra aux
chimistes de l’atmosphère de disposer du plus ancien enregistrement d’ozone atmosphérique à une époque où
l’industrialisationetlaconsommationd’énergiefossilen’étaientqu’àsesbalbutiements,permettantainsidefixerle
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niveau de bruit de fond urbain. Au début du vingtième sièc le, l’intérêt de la mesure de l’ozone atmosphérique se
perdrapidement,résultantprobablementdel’échecàétablirunequelconquerelationentrel’ozoneetlesmaladies.
Il faudra la persévérance d’un petit groupe de scientifique plus intéressé par la météorologie et la
structuredel’atmosphèrequeleseffetssurlasantépourrévélerl’importancedel’ozonepourl’équilibre
physico-chimique de l’atmosphère et son influence sur le développement de la vie à la surface de la
Terre.
Page3/8-L'atmosphère:unréacteurphotochimique
ContrairementauxatmosphèresinternesdesplanètesgéantesgazeusescommeJupiter,l’atmosphère
de la Terre n’est pas en équilibre thermodynamique. L’essentiel de l’énergie de la Terre provenant du
rayonnement solaire, celui-ci est à l’origine d’un déséquilibre que les forces de la Nature tentent de corriger en
permanence, soit en stockant cette énergie comme par exemple la photosynthèse et le stockage du carbone
(l’ensembledel’énergiestockéesurTerreparlesénergiesfossilesnereprésenteque~25joursd’ensoleillement!),
soit en l’évacuant par rayonnement infrarouge après l’avoir redistribuée par les phénomènes météorologiques
(courantmarins,vents,pluies,neige, etc)etlacirculationocéanique.C’estcetéquilibreentreénergiereçue,
redistribuéeetévacuéequimaintientlasurfacedelaTerreàunetempératuremoyennede15°Cmais
quigénèreaussiunétatchimiquedel’atmosphèrefortementdynamique.
D’un point de vue c himique, l’atmosphère peut être considérée c omme un réacteur c himique oxydant. Bien sûr la
présence de 21 % en volume d’oxygène moléculaire n’y est pas pour rien mais O2 est loin de c onstituer l’espèce
chimiquelaplusoxydantedel’atmosphère.Sitelétaitlecas,notreatmosphèrenecontiendraitcertainementpas
autant d’oxygène moléculaire. En effet, réactivité et concentration dans l’atmosphère sont généralement
étroitement liées, ce qui se comprend facilement : plus une molécule est stable, plus elle a de chance de
s’accumulerdansl’atmosphèreetviceversa.Ledioxygènebienquefacilitantlacombustionn'engendreque
trèsrarementdescombustionsspontanées. C’est à travers la loupe des espèc es à très faible c oncentration
qu’il faut regarder l’atmosphère pour comprendre sa réac tivité c himique. La figure 5 schématise grossièrement ce
fonctionnement.Essentiellementauniveaudusolsetrouventdessourcesémettricesdecomposésprimaires.
Figure5:Fonctionnementschématiqueduréacteurchimiqueatmosphérique©J.Savarino
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