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Sciences

Pour quelle raison le H2CO3 se transforme en CO2?

Question de s._ra, 13 ans

Didier Perret

Réponse de Didier Perret

Docteur

Section de chimie et biochimie
Université de Genève

En fait, c’est bien l’inverse, c'est-à-dire la transformation du dioxyde de carbone CO2 en acide carbonique H2CO3, qui a lieu dans l’eau. Cependant, les équilibres qui régissent les concentrations de dioxyde de carbone, d’acide carbonique, ainsi que d’hydrogénocarbonate HCO3-, sont complexes et dépendent de nombreux paramètres.

Considérons de l’eau très pure, ne contenant aucune substance étrangère (par exemple de l’eau distillée plusieurs fois et purifiée encore par passage sur une colonne permettant l’élimination des impuretés), et plaçons cette eau est en contact avec l’atmosphère. Dans l’atmosphère, on trouve des concentrations faibles – mais croissantes – de dioxyde de carbone CO2 gazeux.

Le dioxyde de carbone CO2 gazeux a une certaine affinité pour l’eau, et il peut ainsi se dissoudre dans l’eau, c’est-à-dire passer de l’état gazeux à l’état solvaté (chaque molécule de CO2 est entourée de plusieurs molécules du solvant eau H2O ; c’est pour cette raison qu’on appelle ce processus la solvatation). Entre parenthèse, ce processus n’est pas l’exclusivité du dioxyde de carbone : le dioxygène gazeux O2 et le diazote gazeux N2 sont aussi capables de se dissoudre dans l’eau, et c’est d’ailleurs grâce à ce processus que les organismes aquatiques peuvent respirer !

Lorsque le dioxyde de carbone est dissout dans l’eau, il peut réagir avec une molécule d’eau pour former une substance acide, l’acide carbonique H2CO3. Sur le papier, la réaction est très simple, CO2(gaz) + H2O(liquide) → H2CO3(aqueux) mais en réalité, il n’est pas trivial de combiner ces deux molécules aux caractéristiques trop éloignées pour procéder à une union, car pour former une molécule d’acide carbonique, il faut que les atomes dans la molécule d’eau et dans celle de dioxyde de carbone se recombinent en formant plusieurs liaisons.

La dissolution du dioxyde de carbone dans l’eau, puis sa réaction avec l’eau pour former l’acide carbonique, vont conduire à une cascade de réactions chimiques, comme indiqué ci-dessous.

L’acide carbonique H2CO3 n’est pas très stable dans l’eau pure. Cette nouvelle molécule réagit elle aussi avec l’eau, pour former un ion chargé négativement, l’ion hydrogénocarbonate HCO3-, ainsi qu’un proton solvaté, H3O+. La libération d’un proton contribue à acidifier légèrement l’eau.

Suite à ce mécanisme de déprotonation de l’acide carbonique, selon H2CO3(aqueux) + H2O(liquide) → HCO3-(aqueux) + H3O+(aqueux), c’est l’ion hydrogénocarbonate qui peut lui aussi libérer un proton solvaté et se transformer en ion carbonate CO32-, selon HCO3-(aqueux) + H2O(liquide) → CO32-(aqueux)+ H3O+(aqueux).

On constate donc que la présence de dioxyde de carbone gazeux au-dessus d’un volume d’eau liquide conduit à une cascade complexe de réactions conduisant à la production dans l’eau de plusieurs entités, acide carbonique, hydrogénocarbonate et carbonate, ainsi que protons qui acidifient le milieu. Toutes ces espèces cohabitent selon un subtil équilibre qui dépend de la pression de gaz au-dessus de l’eau, de la température, et de la présence d’autres espèces acides ou basiques dans l’eau.

4 juin 2018

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