La combustion du soufre et ses conséquences sur l'environnement

Quand le soufre brûle dans le dioxygène, il produit du dioxyde de soufre, un gaz invisible, piquant et toxique qui irrite les poumons et rend les pluies acides : c'est pourquoi on cherche à réduire le soufre des carburants et des fumées d'usine.

Objectifs

Décrire la combustion du soufre dans le dioxygène et nommer le produit formé.
Écrire le bilan de cette combustion en mots et avec des symboles.
Reconnaître le dioxyde de soufre par un test simple.
Expliquer comment le dioxyde de soufre pollue l'air et provoque des pluies acides.
Citer des moyens de limiter cette pollution.

1. Le soufre brûle : que se passe-t-il ?

Le soufre est un solide jaune. On le trouve près des volcans, dans le sous-sol, et en petite quantité dans le pétrole et le charbon. Au laboratoire, on enflamme un peu de soufre dans une cuillère à combustion, puis on le plonge dans un flacon rempli de dioxygène. Dévoile l'expérience étape par étape.

On plonge la cuillère contenant du soufre enflammé dans le flacon de dioxygène : le soufre brûle vivement avec une flamme bleue.

Le soufre disparaît peu à peu et un gaz incolore, à l'odeur piquante et suffocante, remplit le flacon : c'est le dioxyde de soufre. On travaille sous une hotte, car ce gaz est toxique.

Pour identifier ce gaz, on prépare une solution violette de permanganate de potassium.

On fait passer le gaz dans la solution : elle se décolore. C'est le test du dioxyde de soufre.

\[\text{soufre} + \text{dioxygène} \longrightarrow \text{dioxyde de soufre}\] \[\ce{S + O2 -> SO2}\]

Une analogie : c'est comme un mariage. L'atome de soufre \(\ce{S}\) s'associe aux deux atomes d'oxygène de la molécule \(\ce{O2}\) pour former une nouvelle « famille », la molécule \(\ce{SO2}\). Aucun atome n'est perdu, ils se sont simplement regroupés autrement.

Quel produit se forme lors de la combustion du soufre dans le dioxygène ?

Le dioxyde de carbone
Le dioxyde de soufre
La vapeur d'eau

Le soufre ne contient pas de carbone ni d'hydrogène : en brûlant, il ne peut donner que du dioxyde de soufre, \(\ce{SO2}\).

2. La masse se conserve

Au cours d'une transformation chimique, les atomes se conservent, donc la masse totale se conserve : la masse des réactifs qui ont disparu est égale à la masse des produits formés.

\[m_{\text{soufre}} + m_{\text{dioxygène}} = m_{\text{dioxyde de soufre}}\]

Exemple résolu

\(3{,}2\ \text{g}\) de soufre brûlent complètement en réagissant avec \(3{,}2\ \text{g}\) de dioxygène. Quelle masse de dioxyde de soufre se forme ? Cherche d'abord.

On écrit la conservation de la masse : \(m_{\text{dioxyde de soufre}} = m_{\text{soufre}} + m_{\text{dioxygène}}\).

On remplace par les valeurs : \(m = 3{,}2 + 3{,}2\).

\(m = 6{,}4\ \text{g}\) de dioxyde de soufre.

On obtient \(12{,}8\ \text{g}\) de dioxyde de soufre à partir de \(6{,}4\ \text{g}\) de soufre. Quelle masse de dioxygène a réagi ?

\(6{,}4\ \text{g}\)
\(19{,}2\ \text{g}\)
\(12{,}8\ \text{g}\)

\(m_{\text{dioxygène}} = 12{,}8 - 6{,}4 = 6{,}4\ \text{g}\). On soustrait la masse de soufre à la masse du produit.

3. D'où vient le dioxyde de soufre dans l'air ?

Le dioxyde de soufre de l'air a deux origines :

naturelle : les éruptions volcaniques en rejettent ;
humaine : la combustion de carburants et de combustibles contenant du soufre (gazole, fioul lourd des bateaux et des centrales, charbon), certaines usines (raffineries de pétrole, traitement des minerais).

Laquelle de ces activités rejette du dioxyde de soufre ?

Faire sécher du linge au soleil
Arroser un jardin
Faire tourner un groupe électrogène au gazole

Le gazole contient un peu de soufre ; en brûlant dans le moteur du groupe électrogène, ce soufre forme du dioxyde de soufre.

4. Les conséquences sur la santé et l'environnement

Sur la santé

Le dioxyde de soufre est un gaz irritant : il agresse les yeux, le nez, la gorge et les poumons. Il provoque toux et gêne respiratoire, et il aggrave l'asthme, surtout chez les enfants et les personnes âgées.

Les pluies acides

Dans l'atmosphère, le dioxyde de soufre se transforme et se dissout dans les gouttelettes d'eau des nuages : il forme des acides. La pluie devient alors plus acide que la normale : on parle de pluies acides. On peut le comparer à une goutte de jus de citron versée dans un verre d'eau : l'eau prend un goût acide.

flowchart LR
  A[Combustion de soufre] --> B[Dioxyde de soufre rejeté]
  B --> C[Dissolution dans les nuages]
  C --> D[Pluies acides]
  D --> E[Forêts abîmées]
  D --> F[Lacs et sols acidifiés]
  D --> G[Monuments et métaux rongés]

Les végétaux : les feuilles jaunissent, les arbres s'affaiblissent.
Les eaux et les sols : les lacs et les rivières deviennent plus acides, ce qui nuit aux poissons ; les sols s'appauvrissent.
Les bâtiments : les pierres calcaires et le marbre sont rongés, les métaux (toits en tôle, grilles) rouillent plus vite.

Le test du papier pH ou du papier de tournesol permet de le vérifier en classe : de l'eau dans laquelle on a fait barboter du dioxyde de soufre devient acide (le papier de tournesol bleu humide vire au rouge).

Pourquoi les pluies acides abîment-elles les monuments en marbre ?

Parce que l'acide attaque le calcaire et le marbre.
Parce que la pluie est trop chaude.
Parce que le dioxyde de soufre est un solide qui raye la pierre.

Le marbre et le calcaire réagissent avec les acides : l'eau de pluie acide les ronge lentement, et les statues perdent leurs détails.

5. Comment réduire cette pollution ?

Désulfurer les carburants : retirer le soufre du gazole et du fioul dans les raffineries, avant qu'ils ne soient brûlés.
Filtrer les fumées des usines et des centrales électriques grâce à des installations qui captent le dioxyde de soufre avant qu'il ne sorte des cheminées.
Brûler moins : utiliser l'énergie solaire, entretenir les moteurs, partager les véhicules, prendre les transports en commun.
Surveiller la qualité de l'air et fixer des règles limitant les rejets.

Exemple résolu

Le directeur d'un collège de Kaolack hésite entre deux solutions pour l'électricité de nuit : un groupe électrogène au gazole ou des panneaux solaires avec batteries. Laquelle limite les rejets de dioxyde de soufre, et pourquoi ?

Voir la solution

Les panneaux solaires. Le groupe électrogène brûle du gazole qui contient du soufre : sa combustion produit du dioxyde de soufre. Les panneaux solaires produisent de l'électricité sans aucune combustion sur place, donc sans rejet de dioxyde de soufre.

Que signifie « désulfurer » un carburant ?

Lui ajouter du soufre pour qu'il brûle mieux.
Lui retirer une grande partie de son soufre avant de le brûler.
Le mélanger avec de l'eau.

Moins il y a de soufre dans le carburant, moins sa combustion forme de dioxyde de soufre.

Erreurs fréquentes

Confondre dioxyde de soufre \(\ce{SO2}\) et dioxyde de carbone \(\ce{CO2}\) : le premier vient du soufre, le second du carbone.
Croire que le soufre « disparaît » : ses atomes se retrouvent dans le gaz formé, et la masse se conserve.
Penser qu'un gaz invisible est sans danger : le dioxyde de soufre est incolore mais toxique.
Oublier que les pluies acides peuvent tomber loin de la source de pollution.

Récapitulatif

Le soufre brûle dans le dioxygène avec une flamme bleue : \(\ce{S + O2 -> SO2}\).
Le dioxyde de soufre est un gaz incolore, piquant et toxique ; il décolore la solution violette de permanganate de potassium.
La masse totale se conserve pendant la combustion.
Il irrite les voies respiratoires et provoque des pluies acides qui abîment forêts, lacs, sols et bâtiments.
On le limite en désulfurant les carburants, en filtrant les fumées et en brûlant moins de combustibles.

Combustion du soufre

Soufre + dioxygène donne dioxyde de soufre : \(\ce{S + O2 -> SO2}\).

Dioxyde de soufre

Gaz incolore, à odeur piquante, toxique et irritant, de formule \(\ce{SO2}\).

Test du dioxyde de soufre

Il décolore une solution violette de permanganate de potassium.

Pluies acides

Pluies rendues plus acides par la dissolution du dioxyde de soufre dans les nuages.

Désulfuration

Retrait du soufre des carburants pour réduire les rejets de dioxyde de soufre.