Avoir connaissance de la géométrie du CO₂ ou dioxyde de carbone est d’une grande importance pour comprendre son utilité actuelle, en plus d’être nécessaire pour savoir comment l’utiliser afin d’obtenir une bonne efficacité énergétique.
Il convient de mentionner qu’il s’agit d’un gaz incolore et inodore, légèrement acide, mais non inflammable, qui est présent naturellement dans l’atmosphère et provient de la circulation du carbone à travers les océans, les plantes, la terre et aussi les animaux.
Cela dit, les molécules sont constituées d’atomes, et lorsque nous parlons de géométrie moléculaire, nous nous référons à la forme tridimensionnelle des atomes qui la composent, déterminant les propriétés qu’une molécule peut avoir telles que la polarité, la phase, la réactivité, la couleur, l’activité biologique, entre autres.
Sources de CO₂
Il existe des sources naturelles de CO₂ telles que les sources thermales, les volcans, les geysers et il est également libéré lorsque des roches carbonatées se dissolvent dans l’eau. De plus, comme il est soluble dans l’eau, on peut le trouver naturellement dans les glaciers, les eaux souterraines, les rivières, les mers, les lacs et les champs de glace, ainsi que dans le gaz naturel et les gisements de pétrole.
De même, le CO₂ est produit par la respiration de tous les organismes aérobies.
Tout l’air qui pénètre dans les poumons des humains et des animaux est expulsé sous forme de CO₂ ; dans le cas des poissons, c’est ce qui sort par les branchies et atteint l’eau. Un processus similaire se produit lors de la respiration des plantes.
Il peut également être produit lorsque nous brûlons du bois pour faire du feu et lors de la production de pain, de bière ou de vin par la fermentation des sucres.
Quelle est la géométrie du CO₂ ?
En raison de la présence de 2 électrons, la géométrie du CO₂ est linéaire, avec un angle de liaison de 180°.
Chaque molécule de dioxyde de carbone est composée d’une paire d’atomes d’oxygène liés à un atome de carbone par des doubles liaisons covalentes.
De manière plus détaillée, nous pouvons dire ce qui suit :
- Dans la géométrie du CO₂, nous avons un atome de carbone situé entre deux atomes d’oxygène, formant une sorte de liaison sigma. Avec trois d’entre eux, un octet est complété, se liant à celui du début, de sorte qu’il n’existe pas de paires d’électrons solitaires.
- Étant donné que dans la géométrie du CO₂, les angles de liaison sont de 180 degrés et que les électrons sont répartis de façon symétrique, la géométrie du CO₂ présente une forme linéaire.
En d’autres termes, dans une molécule de CO₂, il existe deux paires d’électrons de valence qui entourent le centre de carbone et les paires solitaires d’oxygène se repoussent.
De cette façon, il existe une répulsion des deux côtés de l’atome central de carbone, qui est lui-même lié de manière double à chaque atome d’oxygène, de sorte qu’aucune paire solitaire ne sera trouvée.
Pour déterminer la géométrie du CO₂ des molécules et leur forme, on peut utiliser l’hypothèse VSEPR, qui établit que la géométrie électronique et moléculaire d’une molécule est linéaire lorsqu’elle ne contient pas de paires solitaires, ou bien la méthode AXE.
Utilisations du CO₂
Le CO₂, étant un gaz inerte, peut être utilisé dans divers processus.
Tels que le soudage, comme anesthésique, solvant, pour fabriquer des boissons gazeuses, pour durcir le béton, pour carbonater le soda, comme matière première dans certains produits chimiques et combustibles, mais l’une des utilisations les plus importantes concerne les systèmes de climatisation ou de réfrigération.
Grâce au fait que le CO₂ est un réfrigérant naturel, qui peut passer de l’état liquide à l’état solide en faisant varier sa température ou sa pression, il peut être utilisé dans des installations industrielles ou commerciales comme fluide frigorigène.
Cela dit, dans les systèmes de climatisation, le CO₂ est utilisé en phase sous-critique et transcritique :
- Phase sous-critique : c’est lorsque, dans les systèmes de réfrigération, ce gaz se trouve en dessous de son point critique (31 °C / 73 bar). À ce stade, son comportement est similaire à celui d’autres réfrigérants : il absorbe la chaleur en s’évaporant, puis est comprimé et se condense ensuite (passe de l’état gazeux à l’état liquide en perdant de la chaleur).
- Phase transcritique : c’est lorsqu’un système de réfrigération dépasse le point critique du gaz réfrigérant. Dans ce cas, le CO₂ ne se condense pas (le passage du gaz au liquide n’a pas lieu), ce qui nécessite des contrôles spécifiques en raison des décharges élevées et des tuyauteries avec une pression de conception de 120 bar.
La pression de ce fluide qui a été comprimé et refroidi doit être réduite, pour qu’il soit ensuite condensé sous forme liquide et puisse ainsi alimenter l’évaporateur de l’équipement de réfrigération.
Quelle est l’utilisation actuelle du CO₂ ?
L’utilisation du CO₂ s’est accrue aujourd’hui dans diverses applications et dans les grands systèmes de climatisation transcritiques. En fait, de nombreux fabricants créent des équipements fonctionnant avec des réfrigérants naturels.
Dans les systèmes de climatisation, l’un des composants de base est l’échangeur de chaleur, qui est un module dont la fonction est de transférer la chaleur entre deux liquides, séparés par une barrière compacte. Ils sont généralement utilisés pour la production d’énergie, le traitement chimique ou les systèmes de réfrigération.
Ces nouveaux échangeurs thermiques sont conçus pour s’adapter à des systèmes de réfrigération plus exigeants et de différentes tailles.
Parmi les utilisations de l’échangeur thermique, nous avons :
- Augmenter la température d’un fluide grâce à un autre plus chaud.
- Refroidir un fluide en utilisant un autre ayant une température plus basse.
- Permettre à un fluide d’atteindre son point d’ébullition grâce à un autre ayant une température plus élevée.
- En utilisant des fluides froids, certains gaz peuvent être condensés.
- Permettre à un fluide d’atteindre son point d’ébullition pendant qu’un autre gaz plus chaud se condense.
Avantages du gaz CO₂ comme réfrigérant
En utilisant le CO₂ comme réfrigérant, on obtient les avantages suivants :
- Le CO₂ est considéré comme l’un des plus adaptés à l’environnement pour son utilisation dans les serres. Lorsqu’il est utilisé dans ces systèmes de réfrigération, on parvient à obtenir une pureté de 99,99 %, ce qui prouve qu’il s’agit de l’une des meilleures options pour l’écologie.
- Étant un gaz inerte, il n’est ni toxique ni inflammable, et est considéré comme excellent pour l’échange de température dans les condenseurs, évaporateurs et refroidisseurs de gaz.
- Lorsque le CO₂ est utilisé en réfrigération, un autre avantage principal est que son coût est bien inférieur à celui des autres gaz réfrigérants.
- Les compresseurs utilisés avec le CO₂ s’avèrent plus efficaces et on obtient également un excellent transfert de chaleur.