Béton sans carrière

Par Sam Stier, Dona Boggs et Dave Jones

Traduction par Marilynn Paquette

Les laboratoires de chimie scolaires comportent des mélanges de produits chimiques dangereux, transformés par des becs Bunsen en combustible fossile pour faciliter les réactions.

Les produits sont rejetés dans l’air, jetés aux ordures ou versés dans le drain à la fin de chaque cours. En d’autres mots, la façon dont nous enseignons la chimie aux enfants, est un microcosme de la façon dont nous produisons de manière non durable presque tout dans le monde. Pour un futur durable, nous avons besoin de cours de chimie afin d’enseigner aux enfants comment fabriquer des objets durables de la bonne façon.

Des pratiques avancées de chimie durable sont présentes partout où vous posez votre regard : à l’extérieur de la fenêtre, dans les fissures du trottoir, dans la cour arrière et scolaire ou à l’autre bout de la ville. La nature est experte en création de matériaux de haut niveau (ciment, verre, céramique, bois), de nouvelles énergies propres (solaire, hydrogène), de produits chimiques fonctionnels (colorants, adhésifs, etc.) et beaucoup plus. Conjointement, les procédés chimiques de la nature utilisent généralement des mélanges courants et non dangereux, qui réagissent à la température ambiante et se transforment en ressources réutilisables à la fin de leur service.

Puisque le monde naturel a créé un large éventail de capacités chimiques intéressantes pour la technologie humaine, la recherche industrielle et chimique s’inspire de plus en plus de la nature afin d’améliorer ou de réinventer les procédés chimiques traditionnels. Cependant, seulement ‘une petite partie de ce travail a été traduit pour l’éducation des jeunes, dans le but de transmettre ces idées à la prochaine génération d’innovateurs.

Nous proposons 5 idées pour prospérer

Afin de construire un laboratoire de chimie inspiré de la nature, nous avons proposé un ensemble de principes nommé “5 idées pour prospérer”, pour expliquer les éléments essentiels par lesquels la nature effectue une chimie durable. Les cinq principes sont :

1. Matériaux sans extraction. La nature obtient des matières brutes pour la fabrication sans l’extraction de grosses quantités de matières de la croûte terrestre.
2. Conception innovatrice et optimisée. La conception physique de la nature répond aux exigences fonctionnelles par des conceptions ingénieuses et résistantes qui redistribuent les ressources de manière efficace.
3. Pouvoir sans pollution. La nature alimente sa production avec des sources d’énergie durables et inoffensives.
4. Respect de l’environnement. Les produits et les procédés de la nature sont sécuritaires, allant des tissus vivants aux populations sauvages et aux organismes vivants.
5. Innover pour le recyclage. Les matériaux fabriqués par la nature sont totalement recyclés, ne créant aucun déchet.

Le cadre est conçu à la manière d’un cycle de vie, ou d’une boucle fermée. Le processus débute avec une collection de matériaux bruts (1), qui sont conçus (2), transformés (3 et 4) utilisés (4) et, au terme de leur vie, sont retransformés en matériaux bruts pour une productivité continue (5).

Le laboratoire suivant illustre le premier principe du cadre : Matériaux sans extraction. Considérons un produit couramment fabriqué : le ciment. Le ciment utilisé pour le béton est fabriqué à la suite de l’extraction du carbonate de calcium (calcaire) à partir de mines à ciel ouvert (13 milliards de tonnes métriques par année) et le chauffage des matériaux à 2642 degrés Fahrenheit (1400 degrés Celsius), un processus qui émet environ 6 % des gaz à effet de serre annuels mondiaux dans l’atmosphère. Un processus de fabrication alternatif est suggéré par l’entremise des coraux rocheux (Scleractinia), qui crée du ciment de manière similaire, mais sans effectuer d’extraction. Plutôt, le corail filtre les ions du calcium et du carbone de l’eau de mer, les rassemblant en du carbonate de calcium à la température ambiante de l’océan. Imiter la chimie que les coraux utilisent pour fabriquer leurs exosquelettes est la base de la fabrication du ciment de certaines compagnies telles que Calera².

D’autres exemples de création de nouvelles matières incluent de nouvelles méthodes de création du plastique à partir du dioxyde de carbone atmosphérique au lieu d’utiliser du pétrole³, de nouveaux processus pour fabriquer du verre à une température ambiante (inspirés par certaines espèces d’éponges marines)⁴ et de nouvelles méthodes d’extraction de métaux précieux des mines inspirés par certaines espèces de bactéries⁵.

Le plan de cours sur la science qui suit permet aux élèves des écoles primaires et secondaires d’imiter un exemple d’un procédé chimique durable de la nature en créant du ciment à partir d’un déchet (du gaz d’échappement des voitures) et de l’eau de mer.

Dans le processus, les élèves font l’expérience d’une technologie de pointe avec la promesse de transformer du béton traditionnel en un objet plus durable pour l’industrie. De plus, les élèves apprennent qu’il existe tout un univers de modèles biologiques sur la planète Terre qui peuvent servir d’inspiration ou d’autres procédés chimiques durables et d’autres innovations. Le laboratoire est sécuritaire et répond aux exigences du gouvernement, peut être réalisé sans connaissances spécialisées en science ou sans équipement, tout simplement en utilisant du matériel coûtant moins de 50 $.

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Notes

1. http://geology.com/usgs/limestone/
2. calera.com
3. Greenemeier, L. 2007. Fabriquer du pastique à partir de la pollution. Scientific American. Disponible en ligne (anglais seulement) http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=making- plastic-out-of-pol
4. Kröger, N. et al. (2002). Self-assembly of highly phosphorylated silaffins and their function in biosilica morphogenesis. Science 298: 584-586.
5. Inspired by certain species of bacteria; DeVoe, I.W. et al. (1991). Removal of contaminants and recovery of metals from waste solutions. United States Pat Patent no. 5,066,371. Disponible en ligne à l’adresse courriel suivante : http://www.google.com/patents?hl

=en&lr=&vid=USPAT5066371&id=OuejAAAAeBAJ&oi=fnd&dq=I.+W.+De Voe+mining&printsec=abstract#v=onepage&q&f=false

6. http://gobstock.com/_015561109659-Hagen-Aqua-Fizzzz-Air-Stone-Round-1
7. http://www.hometrainingtools.com/glass-rubber-tubing/c/130/
8. Le ciment peut être irritant, alors les élèves doivent seulement en prendre une petite quantité et ne pas l’inhaler.
9. Pour consultation, la formule de réaction de l’activité de laboratoire se trouve ici :

CO2 + H2O –> H2CO3; ajoutez les bases : H2CO3 + NaOH –> NaHCO3 +

H2O; et NaHCO3 + NaOH –> Na2CO3 + H2O. Cette étape doit être faite afin de

permettre : Na2CO3 + CaCl2 –> CaCO3 + 2NaCl.

10. Dans les coraux, la formation du carbonate de calcium a lieu entre le tissu mou du corail et son exosquelette. La formation du CaCO3 a aussi lieu dans les océans, sans les coraux; par contre, elle est plus lente. Le corail accélère le processus par 100 fois. Il effectue ceci en augmentant activement la concentration d’ions de calcium et de CO2 et en retirant les ions d’hydrogène de la solution à l’aide de pompes à ions. L’augmentation du pH résulte d’une solution supersaturée dans laquelle le calcium et le carbonate réagissent et se précipitent rapidement, formant le carbonate de calcium (Cohen et Mcconnaughey, 2003). Ici, à la place d’une pompe à ion biologique, le NaOH sert à augmenter le pH de la solution et facilite la précipitation.

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Activité : Faire du béton par la chimie

Niveau scolaire : Fin de l’école primaire ou secondaire

Durée : Environ une ou deux sessions de 50 minutes ou plus si désiré

Matériel : Assez pour environ cinq groupes de quatre élèves

• Une source de dioxyde de carbone, idéalement récoltée d’un flux de déchets comme du gaz d’échappement des voitures (environ 15 % de CO2; voir la procédure ci-dessous). Une autre source de dioxyde de carbone est la glace sèche (100 % de CO2) disponible dans plusieurs magasins d’alimentation. Le dioxyde de carbone peut aussi être récolté à partir de l’air expiré (environ 5 %). Le dioxyde de carbone non récolté dans l’air ambiant peut également être utilisé (environ 0,04 %).
• Une source d’eau de mer ou de l’eau de mer analogique. De la véritable eau de mer peut être utilisée, s’il y en a. Parallèlement, un mélange d’eau de mer pour les aquariums, vendu dans les animaleries, ou une solution de chlorure de calcium peut être utilisée.
• Un barboteur pour aquarium (optionnel, mais recommandé) est vendu en animaleries pour moins d’un dollar chacun6.
• Une source d’hydroxyde de sodium (NaOH), comme un débouche-tuyau domestique, vendu dans les magasins d’alimentation ou les quincailleries. Doit être clair et non visqueux.
• Contenants en verre, tuyaux en caoutchouc et raccords (voir la procédure ci-dessous). Les contenants en verre peuvent provenir de contenants alimentaires recyclés ou de récipients récupérés dans des laboratoires de chimie. Des tuyaux en caoutchouc sont disponibles chez n’importe quel fournisseur de produits de chimie7.
• Le papier-filtre peut être commandé en ligne (exemple sur le site Web Amazon.com).
• De petits sacs de ciment (exemple Quikrete).
• Vinaigre (optionnel).
• Chou rouge (optionnel).

Sécurité : La glace sèche ainsi que le ciment doivent être manipulés avec des gants. L’hydroxyde de sodium est caustique; éviter tout contact avec les yeux ou l’inhalation des vapeurs.

Procédure :

1. Amenez vos élèves à réfléchir sur la façon dont les humains se procurent leurs matériaux bruts (des façons qui détruisent l’environnement) en contraste avec la façon dont les autres espèces se procurent les leurs. Parmi les points de discussion, nous pouvons retrouver :
   • D’où proviennent les matériaux dans les salles de classe ordinaires? (exemple : le métal des règles, le plastique des chaises, les matériaux dans les craies, etc.)
   • Presque tout ce que les humains conçoivent débute avec les matériaux du sol. Quels problèmes peuvent en découler? Pensez à montrer une photo d’une mine pour illustrer le processus d’extraction traditionnel des ressources.
   • Y a-t-il d’autres façons de fabriquer des choses sans avoir recours à l’extraction du sol?
   • Discutez du bois, des arbres qui se composent principalement d’air (dioxyde de carbone), un processus qui crée un matériau nécessaire en ne gaspillant presque rien de la terre.
   • Discutez comment les autres espèces fabriquent des choses sans destruction, et comment nous pouvons les imiter ou imiter les éléments centraux de leur processus afin d’innover notre propre façon de faire.
   • Discutez du ciment, en expliquant comment il est utilisé dans le béton et comment nous l’utilisons. Songez à présenter un sac de ciment aux élèves8. Expliquez que le béton est un des matériaux fabriqués les plus utilisés dans le monde. Son composant principal est une molécule nommée « carbonate de calcium », qui peut être représentée par « CaCO3 », ce qui exprime un mélange carbonate de calcium qui contient un atome de l’élément calcium (un élément présent dans nos os et dans nos dents), un atome de carbone et trois atomes d’oxygène. Expliquez que beaucoup d’organismes fabriquent du carbonate de calcium, en particulier les organismes aquatiques tels que le plancton, les mollusques (palourdes, etc.) et les coraux. Lorsque ces organismes meurent, leur coquille dure de carbonate de calcium et leur squelette s’empilent et forment d’énormes dépôts dans la croûte terrestre durant des centaines d’années. Afin de fabriquer le ciment qui se retrouve dans le béton, les humains creusent dans ces dépôts, créant des mines à ciel ouvert ou des carrières.
   • Discutez comment les coraux créent le carbonate de calcium en récoltant le calcium, le carbone et l’oxygène de l’eau de mer. L’eau de mer renferme beaucoup de calcium et les atomes de carbone et d’oxygène proviennent du dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère, qui est absorbé par l’eau de mer. Les coraux lient ces atomes ensemble à leur corps pour créer un squelette extérieur protecteur, tout en construisant un habitat viable, le récif corallien pour d’autres espèces. Soulignez qu’il s’agit d’une chose magique : placez un verre d’eau sur la table, et placez un coquillage marin dans l’eau. Ces organismes font sortir les choses solides comme le corail et la coquille de l’eau de mer.
   • Présentez l’activité avec un remue-méninges sur les sources possibles de calcium, de carbone et d’oxygène qui peuvent être utilisées pour imiter comment les coraux fabriquent le carbonate de calcium.
   • Pour les élèves plus âgés, vous pouvez décrire la formule réactionnelle 9 ainsi que le rôle du pH10dans le processus utilisé par le corail. Pensez à faire un tutorat aux élèves afin qu’ils trouvent eux-mêmes une façon de manipuler le pH avant de leur suggérer une source de NaOH.
2. Commencez l’activité pratique en faisant référence à la discussion précédente.

• Rassemblez le matériel nécessaire pour l’expérience. La glace sèche est la source la plus simple de carbone et d’oxygène, mais d’un point de vue pédagogique, il est préférable de demander aux élèves de ramasser le dioxyde de carbone à partir du gaz d’échappement des voitures. Cette façon démontre mieux la conservation des produits résiduaires de carbone. Le gaz d’échappement des voitures doit être récolté d’une voiture qui vient juste d’être mise en marche (avant que la chaleur s’accumule dans le tuyau d’échappement) en utilisant un ballon Mylar (le latex est semi-perméable) attaché à la pipe à travers un entonnoir ou une bouteille de plastique coupée en deux, tous connectés ensemble à l’aide de ruban adhésif ou de pinces. Deux à trois minutes sont suffisantes pour récolter assez de gaz dans le ballon. Si les élèves vont diriger le laboratoire eux-mêmes (prochaine étape), ramassez du gaz d’échappement des voitures dans plusieurs ballons Mylar.

• De retour en classe, faites une démonstration du laboratoire pour la classe ou, demandez aux élèves de le faire. Si les élèves réalisent le laboratoire eux-mêmes, demandez-leur de former de petits groupes de deux ou de quatre personnes, et expliquez-leur la procédure à suivre, l’utilisation du matériel et les consignes de sécurité. Assignez des tâches à différents élèves dans chacun des groupes, de sorte que chaque enfant ait un rôle tangible à jouer dans le processus.
  • Utilisez de l’eau de mer ou créez un mélange analogue d’eau de mer, soit à partir d’un mélange à eau de mer provenant d’une animalerie, ou en donnant aux élèves une solution prémixée, ou en leur demandant de créer une solution contenant 0,1 m CaCl2 (exemple : 1,47 g dans 100 ml). Assurez-vous que les élèves comprennent le rôle que l’eau de mer joue dans le produit final (exemple : que la solution est comme l’eau de mer que les coraux utilisent, et contient les atomes de calcium qui deviendront une partie du mélange de carbonate de calcium que les coraux créent.
  • Préparez une solution 1 m de NaOH (exemple 3,99 g dans 100 ml). De la lessive domestique peut être utilisée comme source de NaOH (si elle est claire et non-visqueuse). Les élèves doivent porter des lunettes et des gants lorsqu’ils manipulent le matériel. Expliquez aux élèves que les coraux amènent le calcium à se lier à l’oxygène en régulant la solution dans laquelle sont les atomes, ce qui augmente la concentration de certains atomes et réduit la concentration d’autres atomes à l’aide de pompes biologiques. L’hydroxyde de sodium aide à faire ces modifications sans les pompes spéciales utilisées par les coraux.
  • Attachez le ballon Mylar rempli de gaz d’échappement des voitures au tubage en utilisant du ruban adhésif. Ou, si vous utilisez de la glace sèche, placez un morceau de glace sèche dans un contenant de verre ou une fiole de côté avec des gants et renfermez la glace avec un couvercle ou un bouchon.
  • Attachez un barboteur à aquarium à l’autre bout du tubage.
  • Ajoutez quelques gouttes de la solution de NaOH (lessive) à la solution d’eau de mer. Pendant que le précipité se forme, continuez d’ajouter le NaOH au besoin. Un pH d’environ 9 produira de meilleurs résultats.
  • Insérez le barboteur dans le contenant de solution d’eau de mer. Si vous utilisez un tuyau d’échappement, exercez une légère pression sur le ballon Mylar. Des précipités blancs et opaques devraient se former immédiatement, tombant lentement au fond du contenant. Afin de produire assez de précipité, laissez agir la réaction pendant au moins 3 à 5 minutes (plus longtemps avec le tuyau d’échappement).
  • Retirez le tube de la solution d’eau de mer et laissez la solution reposer quelques minutes. Vous verrez la solution devenir plus claire au-dessus pendant que la condensation se forme et tombe au fond. Demandez aux élèves d’inscrire leurs initiales sur le papier filtre et versez lentement la solution dans le papier filtre pour récolter le précipité.
  • Faites un compte rendu de l’activité de laboratoire avec les élèves. Soulignez aux élèves qu’ils ont réalisé le matériel de base pour la fabrication du ciment, qui est normalement extrait de la croûte terrestre, mais qu’ils l’ont fait avec du gaz d’échappement des voitures, de l’eau de mer et de la lessive. L’idée derrière le processus chimique provient directement des coraux. Les gens ont fabriqué du ciment de cette façon à une plus grande échelle. Une approche utilisée par les scientifiques et les ingénieurs-chimistes est de prendre le dioxyde de carbone des cheminées des centrales électriques au charbon, et non des tuyaux d’échappement, faisant barboter le gaz de l’eau de mer contenant les atomes de calcium. Le processus utilise le dioxyde de carbone des cheminées, un polluant, ajoute le calcium de l’eau de mer et crée un matériau pratique, sans la construction de mines à ciel ouvert ou de carrières.
  • Placez le papier filtre sur le bord d’une fenêtre afin qu’il sèche pendant la nuit, ou placez-le dans un four de séchage, si vous le pouvez, pendant environ 20 minutes. Une fois le papier filtre séché, demandez aux élèves de frotter une poudre de carbonate de calcium entre leurs doigts.
  • (Optionnel) Placez quelques gouttes de vinaigre sur le précipité afin d’aider à illustrer aux élèves la présence du dioxyde de carbone, une fois pris à l’intérieur du carbonate de calcium, qui retourne dans l’atmosphère.

Évaluation

Afin d’évaluer l’efficacité de l’exercice, demandez aux élèves de répondre aux questions suivantes :

1. Comment décrivez-vous ce que vous avez appris pendant cette activité?
2. Parce que les ressources naturelles de la planète sont limitées, comment décrivez-vous ce qui se produira si les humains continuent de les consommer?
3. Nommez une différence importante entre la façon dont les humains récoltent les matières premières pour la fabrication du ciment et celle des coraux parmi les façons vues dans cette activité?
4. Quels autres matériaux sont fabriqués par les humains et comment les fabriquent-ils? Donnez au moins un exemple. Quel est l’impact sur l’environnement de chaque processus?
5. Pour chaque matériau mentionné au numéro 4, essayez d’identifier un organisme qui produit un matériau similaire. Quel est l’impact sur l’environnement de chaque organisme?

Suites

Sélectionnez une matière fabriquée à la fois par les humains et par d’autres organismes et préparez un rapport de recherche de 3 à 5 pages accompagné d’une bibliographie qui répond aux questions suivantes :

1. Quelle est la matière et le processus de fabrication utilisés par les humains? Notez en particulier comment la matière est acquise, le type et la quantité d’énergie nécessaire au processus de fabrication, les produits chimiques dangereux utilisés ou produits (par exemple les produits dérivés) dans le processus de fabrication et les problèmes environnementaux liés à l’utilisation de la matière. Quantifiez les informations le plus possible.
2. Quels autres organismes produisent cette matière, quel processus utilisent-ils pour sa création? Notez en particulier comment la matière est acquise, le type et la quantité d’énergie nécessaire au processus de fabrication, les produits chimiques dangereux utilisés ou produits (par exemple les produits dérivés), dans le processus de fabrication et les problèmes environnementaux liés à l’utilisation de la matière. Quantifiez les informations le plus possible.
3. Demandez à certaines personnes d’étudier la façon dont d’autres organismes produisent cette matière. Décrivez le ou les mécanismes en détail. Demandez à certaines personnes d’essayer d’imiter la façon dont d’autres organismes produisent cette matière. Décrivez le processus et le statut de ces tentatives.
4. Si vous devez imiter la façon dont d’autres organismes produisent cette matière, comment le feriez-vous? Écrivez vos pensées et expliquez chaque étape.

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Sam Stier est auteur de manuels scolaires sur la durabilité et habite à Missoula, au Montana. Dona Boggs est professeure émérite de biologie de l’Université Eastern Washington. Dave Jones est un professeur de chimie à l’école secondaire Big Sky à Missoula, au Montana. Pour plus d’informations, écrivez à Sam à l’adresse suivante : samstier@gmail.com.

Marilynn Paquette est traductrice pigiste à Sherbrooke, au Québec, et a terminé son baccalauréat en traduction professionnelle à l’Université de Sherbrooke en 2015.

Ce qui précède est une traduction de « Concrete Without Quarries » qui a été publié en Green Teacher 98, Hiver 2012-2013.