Origine des charbons, dans le cadre du nouveau programme de Seconde

Montrer l’origine végétale des charbons, et certains aspects de leur formation, dans le cadre du nouveau programme de seconde.

thème 2 : Enjeux planétaires contemporains

ConnaissancesCapacités et attitudes
La présence de restes organiques dans les combustibles fossiles montre qu’ils sont issus d’une biomasse. Dans des environnements de haute productivité, une faible proportion de la matière organique échappe à l’action des décomposeurs puis se transforme en combustible fossile au cours de son enfouissement. Repérer dans la composition et les conditions de gisement les indices d’une origine biologique d’un exemple de combustible fossile.

Séquence

- Situation initiale :
Il existe diverses ressources géologiques combustibles .
Ces combustibles représentent une ressource énergétique majeure pour les activités humaines (voir cours d’histoire-géographie). Il est nécessaire de connaître leur origine pour en tenir compte lors de leur gestion.

TourbeLigniteHouilleAnthraciteGaz et pétrole
Age moyen Quelques centaines d’année (1000 à 7000 ans) 60 millions d’années 150 millions d’années 300 millions d’années au moins quelques dizaines de millions d’années

- Problématique : quelle est l’origine de ces ressources géologiques combustibles ?

On va tout d’abord centrer l’étude sur les charbons : tourbe, lignite, houille, anthracite.

Une analyse chimique de base indique :

TourbeLigniteHouilleAnthracite
taux de carbone dans la matière 50% à 55% 55% à 75% 75% à 90% 90% à 95%

Donc les charbons sont d’origine organique car leur taux de carbone est très élevé (et de plus ils sont combustibles).

Un observation à l’oeil nu et à la loupe devrait préciser leur origine :

TourbeLigniteHouilleAnthracite
œil nu et loupe Restes de fibres et de tissus, souvent d’aspect foliaire aspects ligneux empreintes de végétaux (empreintes de végétaux)

remarque : un aspect ou une empreinte ne suffisent pas à caractériser une substance.

- Hypothèse : : donc les charbons seraient d’origine végétale.

- Expérimentation : si l’hypothèse est vraie, alors on va tester l’une des conséquences :

Ces matériaux devraient contenir des restes de matière organique végétale,
or l’élément le plus résistant de la cellule végétale c’est sa paroi qui est surtout constituée de
cellulose, et la cellulose est une molécule produite spécifiquement par les végétaux.

  • Caractérisation de la cellulose :
Avec le microscope polarisant. On ajuste le polariseur et l’analyseur pour éteindre la lumière (obscurité au niveau de l’oculaire). Puis on place l’échantillon entre l’analyseur et le polariseur. La cellulose apparaît spécifiquement en blanc brillant (d’autres molécules organiques peuvent prendre des teintes chaudes et mates)

Donc dans cette matière organique (des charbons), on devrait détecter la présence de cellulose grâce au microscope polarisant.

On va d’abord tester notre hypothèse sur un charbon peu ancien comme la tourbe où la cellulose devrait avoir été peu dégradée avec le temps.

- Résultats :
 : présence de fibres et tissus d’aspect cellulaire qui apparaissent brillants en lumière polalisée analysée donc qui sont constitués de cellulose.

- Interprétation  : La tourbe est un charbon composé entre autre de restes de cellulose,
or la cellulose est spécifiquement d’origine végétale
donc la tourbe a bien une origine végétale.

- Conclusion  : l’hypothèse est vérifiée pour la tourbe

- Actualisation  :

  • Analyse critique : il reste à analyser les autres types de charbons.
    Pour la lignite on retrouve aussi des traces de cellulose, mais pour la houille et l’anthracite, seules des études physico-chimiques plus poussées peuvent montrer leur origine végétale.
  • Bilan  : Pour obtenir le charbon, au cours du temps la biomasse végétale (à 98% composée de CHON initialement) s’est : dégradée, déshydratée, transformée, et enrichie en carbone. C’est la carbonification.
  • Perspectives  : Il reste à préciser l’origine du gaz et du pétrole au prochain cours .

Suggestions et précautions pour le déroulement de la séance de TP

1) Elle fait suite aux travaux pratiques : « caractérisation de la matière organique », « structures cellulaires », et « production de biomasse ».

2) Pour l’étape « situation initiale » : on peut vidéoprojeter un document d’appel qui fasse référence à l’interdisciplinarité avec l’histoire-géographie sur les enjeux des combustibles fossiles.

3) Pour l’étape « hypothèse » :
Les données sur le taux de carbone sont fournies aux élèves en tant qu’analyse de base de la matière, elles permettent de recentrer l’étude et d’amorcer l’hypothèse en faisant appel aux connaissances du début d’année.
Pour préciser que l’origine serait végétale, si on n’a pas d’échantillon on peut vidéoprojeter des photos (trouvées sur internet) , et faire observer à la loupe binoculaire la tourbe (par défaut une photo vidéoprojetée).

4) Pour l’étape « Expérimentation » :

Sécurité  :

  • La coloration bleue avec l’eau iodée et H2SO4 à 75% (acide sulfurique) est trop risquée avec les élèves.
  • La coloration avec le rouge Congo n’est pas possible car le produit est cancérigène.

La donnée sur la résistance de la paroi est indiquée aux élèves en leur mentionnant qu’elle provient de l’observation des plantes mortes.

Vidéoprojection d’élodée du Canada (x400, lumière non polarisée, puis polarisée) pour illustrer la caractérisation de la cellulose et sa localisation dans la paroi cellulaire

- Attention, tout ce qui est biréfringent n’est pas de la cellulose !

  • Il y a toujours un peu de minéral dans les charbons et beaucoup de minéraux sont biréfringents.La richesse des minéraux variera fortement en fonction des charbons utilisés.
  • En 2011 cet article mentionnait la détection de cellulose grâce au microscope polarisant dans tous les types de charbons ce qui s’avére contraire aux observations faites au cours de décennies d’exploitation du charbon !
  • En 2012, une étude plus poussée des échantillons a conduit à nuancer les interprétations. Les particules incolores en lumière naturelle et biréfringentes en lumière polarisée analysée visibles sur les photographies de la houille et de l’anthracite ne sont pas de la cellulose mais des minéraux. Parmi les minéraux présents, on peut identifier du quartz, en faible quantité, et du gypse prédominant.
    Ce gypse provient de l’oxydation de la pyrite, minéral qui est fréquement présent dans les charbons. La pyrite en petits cristaux a une couleur grise et en s’oxydant à l’air libre devient une poudre blanche de gypse. En frottis, le gypse forme des particules incolores en lumière naturelle et biréfrigentes en lumière pôlarisée analysée. La pyrite est très intimement associée à la matière organique dans les charbons. Après oxydation, elle se transforme en particules de gypse qui sont couvertes, parfois entiérement de débris organiques noirs bien visibles dans le frottis.
  • Les particules orangées légérement biréfringentes ne présentant aucune structure végétale présentes dans la houille correspondent à ce que les spécialistes appellent un "gel organique". Dans les charbons peu évolués la cellulose est bien reconnaisable et montre souvent des structures cellulaires. Au cours de son enfouissement, la cellulose se transforme pour former ces gels organiques et les structures cellulaires disparaissent. La disparition de la cellulose est presque totale dans la houille où l’on observe rarement des structures cellulaires. le plus souvent ce sont les gels organiques plus ou moins biréfringents qui sont visibles. La disparition de la cellulose est totale dans l’anthracite où l’on observe plus que des particules organiques noires.

- Aspects motivants pour les élèves :

  • Réussir à mettre en évidence des traces de matière organique comme la cellulose âgée de plusieurs milliers (voir millions) d’années (à situer par rapport à l’époque des pharaons ou celle des dinosaures).
  • Avoir une démarche de police scientifique "d’Experts" avec un outil inattendu : le microscope polarisant.

- Organisation :
Chaque binôme peut réaliser une lame et son observation pour de la tourbe (ou de lignite).

- Remarques : Les lames préparées peuvent être réalisées avec des échantillons du laboratoire.
Même avec beaucoup de précautions des fibres de cellulose du papier qui a servi à essuyer la lame peuvent subsister, donc par rigueur d’interprétation on préférera prendre en compte les fragments qui ont un aspect cellulaire ou tissulaire, plutôt que les fibres.

5) Pour l’étape « Résultats » :
La discussion peut être facilitée grâce à des photos vidéoprojetées (de secours) pour chaque situation.

Exemples :

- tourbe n°1 : fragment de feuille de tourbe blonde avec lumière non polarisée puis polarisée (x100)

tourbe n°1 : agrandissement du fragment de feuille où on distingue encore assez bien les parois cellulaires, avec lumière non polarisée puis polarisée (x400)


- tourbe n°2 : fragment de tige ? avec lumière non polarisée puis polarisée (x100)


- Lignite : fragments avec lumière non polarisée puis polarisée (x100), (la luminosité est réglée pour une forte valeur).

Exemple avec de la lignite : fragments en partie fins et en partie épais, avec lumière non polarisée puis avec lumière polarisée, (x100).

- Houille : avec lumière non polarisée puis polarisée (x100)

gel organique avec lumière non polarisée puis polarisée (x100)

- Anthracite : avec lumière non polarisée puis polarisée (x100)

6) Actualisation : La deuxième partie sur le pétrole peut être traitée lors d’une autre séance.

7) Enfin, un TP sur la combustion d’un charbon permettrait de réaliser une synthèse sur le cycle du carbone.

Remerciements :

- Je tiens à remercier monsieur D.POL pour ses conseils sur la caractérisation de la cellulose.

- Je tiens aussi à remercier madame A.Riboulleau (Université de Lille 1, laboratoire Géosystèmes, UMR 8217 CNRS) pour l’approffondissement de l’indentification des particules biréfringentes en lumière polarisée dans les divers types de charbons.

Références documentaires

- D.Pol , Travaux pratiques de biologie, Bordas, p 45

- Voir site de D.Pol : http://www.didier-pol.net/2pol&pol.htm

- A.Foucault et J-F Raoult, dictionnaire de géologie, 3ième édition, Masson, "charbon" p 66-67

- Site documentaire sur la carrière de Lignite d’Arjuzanx


Nicolas Martin, lycée Léopold Sédar Senghor de Magnanville.

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