Puisque cette thématique doit perdurer à la réforme 2010, voici un TP/TP sur le cycle du carbone... Outre les objectifs habituels (expérimenter, collecter des informations, mettre des données en cohérence fonctionnelles...) il permet d'établir un premier schéma fonctionnel des principaux puits et flux de carbone à l'échelle de la planète qui pourra servir, par la suite, à expliquer les enjeux du développement durable (réduction des rejets de CO₂, déforestation...) en y ajoutant des valeurs chiffrées de transferts annuels (en Gt/an).

Remarque : Le document de fond de schéma-bilan est en fin d'article... Il est également disponible en taille plus grande (format png) dans la Galerie médias du site.

2de - TP n° 22   :   Le cycle du carbone

Le cycle du carbone est un cycle biogéochimique qui correspond à l'ensemble des échanges d'éléments carbone sur une planète. Celui de la Terre est complexe du fait des divers échanges entre les eaux, les roches, la matière vivante (biomasse) et l'atmosphère. Il existe quatre réservoirs (puits) de carbone : l'hydrosphère, la lithosphère, la biosphère et l'atmosphère, en interactions permanentes.

Mod. 1 : Les principaux échanges de carbone (couplage lithosphère-biosphère-atmosphère-hydrosphère)

Q1 : A partir des expériences à réaliser et des informations fournies (voir ci-dessous) et de vos connaissances, vous devez compléter le schéma du cycle du carbone fourni en y indiquant la nature chimique du carbone et en y légendant chacune des flèches.

NOTE : Pour chaque expérience, indiquer le résultat et son interprétation sur votre compte-rendu de TP.

Rappels :

• Le rouge de Crésol (RC) vire au violet lorsqu'il est enrichi en CO₂ et au jaune dans le cas contraire.
• L'eau de chaux se trouble lorsqu'elle est enrichie en CO₂.
• L'ébullition provoque un brusque dégazage des eaux.
• Les eaux de pluie ont un pH légèrement acide.

* Exp 1 : Un fragment d'être vivant autotrophe est placé (à la lumière) durant 48 heures dans un tube à essai fermé contenant du rouge de Crésol. (Expérience déjà réalisée � lecture directe du résultat. Voir Partie 1 du programme)

* Exp 2 : Un fragment d'être vivant hétérotrophe est placé (à la lumière) durant 48 heures dans un tube à essai fermé contenant du rouge de Crésol. (Expérience déjà réalisée � lecture directe du résultat. Voir Partie 1 du programme)

* Exp 3a : Ajouter dans un tube à essai contenant de l'eau bouillie laissée 48 heures à l'air libre quelques gouttes d'eau de chaux pour y observer un éventuel précipité.

* Exp 3b : Ajouter dans un tube à essai contenant de l'eau fraîchement bouillie quelques gouttes d'eau de chaux pour y observer un éventuel précipité.

* Exp 4 : Mettre dans un premier tube à essai 1 à 2 cm d'eau de chaux puis, dans un second tube, un morceau de craie (calcaire). Déposer quelques gouttes d'acide (HCl) sur la craie et fermer RAPIDEMENT le tube avec le dispositif à dégagement (bouchon + tube fin coudé) en faisant barboter l'extrémité du tube à dégagement dans l'eau de chaux du premier tube à essai. Observer.

* Info 1 : Les roches silicatées ne sont pas totalement solubles dans l’eau. Elles sont altérées de façon différentielle… L’eau, acide car chargée de CO₂ dissous, attaque les silicates situés dans et sous le sol. Si l’on prend le plus fréquent des silicates de la croûte, le plagioclase, on peut résumer le bilan de son altération de la façon suivante : 

2 Al₂Si₂O₈Ca + 4 CO₂ + 6 H₂O → 2 Ca⁺⁺ + 4 HCO₃^-   + Si₄O₁₀Al₄(OH)₈   

(Al₂Si₂O₈Ca étant le plagioclase (anorthite) et Si₄O₁₀Al₄(OH)₈ l'argile produite (kaolinite) par altération)

* Info 2 : Le carbonate de calcium (CaCO₃), principal constituant des roches calcaires, se forme dans les milieux aquatiques (le plus souvent dans l'eau de mer). Ils résultent de la précipitation d'ions dissous. Cette précipitation suit la réaction :

Ca₂⁺⁺ + 2(HCO₃^-) → CaCO₃ + CO₂ + H2O. Cette équation est réversible.

Cette précipitation est facilitée par les organismes à coquille ou carapace (mollusques, oursins, coraux, algues planctoniques...), par la respiration des êtres vivants et par le brusque dégazage des eaux.

* Info 3a : Dans un écosystème, les liens qui unissent les espèces sont le plus souvent d'ordre alimentaire. On distingue trois catégories d'organismes :

    - les producteurs. Ce sont surtout les végétaux chlorophylliens, capables, grâce à la photosynthèse, de fabriquer de la matière organique à partir de dioxyde de carbone et de lumière solaire. (il existe aussi d'autres organismes autotrophes, certains étant à la base de chaînes alimentaires totalement indépendantes de l'énergie solaire.)

    - les consommateurs (animaux). Il existe trois types de consommateurs :

• les consommateurs primaires (herbivores)
• les consommateurs secondaires, qui se nourrissent des précédents (carnivores primaires)
• les consommateurs tertiaires, qui se nourrissent des carnivores primaires (carnivores secondaires)

    - les décomposeurs (bactéries, champignons) qui dégradent les matières organiques par respiration et fermentations de toutes les catégories et restituent au milieu les éléments minéraux.

* Info 3b : La formation des combustibles fossiles (charbon, hydrocarbures et gaz) est une conséquence naturelle, à très long terme, de la sédimentation dès lors que les sédiments de départ sont assez riches en matière organique. Cette sédimentation produit un corps particulier : le kérogène, capable lui-même de produire, avec le temps, charbon ou pétrole et/ou gaz suivant les différentes conditions environnementales. (Bien qu'il ne soit présent qu'en faibles proportions dans les sédiments en règle générale, le kérogène représente, à l'échelle de la planète, une masse totale de 10⁷ Gt. Seulement 0,1 % de ce kérogène se transforme en charbon ou pétrole et/ou gaz.)

* Info 4 : Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la chaleur : la combustion.

C_nH_n+2 + n O₂ → n CO₂ + n H₂O + Ã©nergie   (équation exemple pour un hydrocarbure)

La plupart des matériaux d'origine organique sont des combustibles. Par exemple, le bois (20 000 kilojoules par kilo), le charbon, le pétrole (42000 kilojoules par kilo pour l'essence) sont des combustibles. On distingue :

    - les combustibles fossiles (pétrole, charbon, gaz...), issus de matières organiques préhistoriques fossilisées. Leur combustion rejette dans l'atmosphère du dioxyde de carbone qui provient de la combinaison d'atomes de carbone issus du sous-sol et d'oxygène atmosphérique. Ces rejets de CO₂ participent à l'effet de serre et aux changements climatiques actuels.

    - les biocombustibles (biocarburants liquides, copeaux ou granulés de bois, céréales et autres aspects de la biomasse), issus de plantes vivantes. Leur combustion présente un bilan CO₂ beaucoup plus faible (pour autant qu'on replante ce qui a été coupé) puisqu'elle rejette le CO₂ atmosphérique qu'ils ont accumulé au cours de leur croissance par photosynthèse... C'est donc une énergie renouvelable. (Mais pas non-polluante)

Mod. 2 : Perturbations humaines du cycle du carbone

Q2 : D'après vos connaissances en matière de développement durable (EEDD-Collège), indiquez les principales actions humaines susceptibles de modifier les équilibres de transfert du carbone.

Q3 : Matérialisez sur le schéma, ces actions humaines. (les nommer et indiquer leur sens par un signe "+" ou "-")

Q4 : Titrer votre schéma. (rectangle à gauche de la légende)