| La chimie au grand oral du baccalauréat

En sélectionnant les espèces animales et végétales, l’Homme inventa l’agriculture pour se nourrir. Depuis, des progrès considérables ont été réalisés dans la compréhension du fonctionnement de la faune et de la flore. D’après un rapport récent publié par l’Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture (F.A.O.), basée à Rome (Italie), il faudrait, pour nourrir une population mondiale estimée à 9,7 milliards d’êtres humains en 2050, produire entre 40 et 54 % de plus de nourriture, d’aliments pour animaux et de matières premières de biocarburants qu’en 2012. Pour y parvenir, l’Homme peut-il se passer de la chimie ?

 

Problématique :

• Comment la chimie a révolutionné l’agriculture ?
• Quels sont les objectifs de l’agriculture durable ?
• Quels sont les défis de la chimie pour l’agriculture ?

Des pistes sont également proposées pour un projet professionnel en lien avec la problématique.

Les agricultures française et européenne font face à de nombreux défis tant sociétaux que techniques. Face à ce constat les Académies d’agriculture de France et des technologies ont établi un groupe de travail commun fort de trente-deux membres de différentes disciplines pour analyser la situation, essentiellement sur les aspects techniques.

Dans une première étape le groupe a auditionné dix agriculteurs et agricultrices représentant des productions diverses sous différents modes de culture, conventionnels et biologiques. Les trois défis techniques principaux présentés, quel que soit le type d’agriculture, ont été le parasitisme, maladies et ravageurs avec un regard particulier sur le changement climatique et les maladies émergentes, la maitrise des plantes adventices et les effets de la sécheresse. Les années 2019 et 2020 confirment bien ce dernier problème de plus en plus préoccupant.

Ces défis ont été ensuite présentés à des chercheurs et des industriels du secteur agricole pour réfléchir aux solutions que pourraient apporter les développements récents des innovations. Plusieurs approches peuvent être envisagées telles que le choix de la rotation, l’amélioration variétale, les traitements phytopharmaceutiques qu’ils soient de synthèse ou biologiques, la robotique, l’agriculture de précision et l’irrigation. Elles ne s’excluent pas les unes des autres mais sont complémentaires. Des progrès sont en cours dans tous ces domaines mais ils sont incrémentaux. Il faut toutefois noter une révolution en cours : l’apparition des données massives et leur application à l’agriculture grâce au développement du numérique. Cette révolution a un effet d’accélération dans tous les domaines techniques de l’agriculture. En plus d’innovations techniques nous allons aussi vers une innovation organisationnelle.

Les pistes de progrès sont donc nombreuses. Pour qu’elles se développent il faudra faire les bons choix techniques, politiques et réglementaires en étant conscient du facteur temps. L’évolution d’un agrosystème, organisme vivant, ne peut se faire sans un temps minimum d’adaptation.

Les détails de ces travaux ont été publiés en mai 2019.

Les questions relatives à la santé et l’alimentation font naturellement partie des préoccupations principales de nos concitoyens. Si notre alimentation dépend directement de notre agriculture, la santé quant à elle, résulte de nombreux facteurs dont la qualité de notre alimentation et de notre environnement pour lesquels l’agriculture joue un rôle majeur.

Au cours des siècles, l’agriculture française est passée par diverses étapes mais pendant longtemps, la production agricole ne couvrait qu’insuffisamment les besoins alimentaires des français. Les famines succédaient régulièrement aux disettes avec le cortège d’horreurs qu’elles engendraient. Au XVIII^e siècle on compte 16 épisodes de famine qui ont conduit à la Révolution. Dès lors, la demande faite à l’agriculture fut simplement de nourrir la population. Les sciences ont été fortement sollicitées et l’amélioration progressive des productions a permis au milieu du XIX^e siècle d’atteindre la production moyenne de 2000 calories par habitant. Les rendements étaient encore faibles, mais les famines ont disparu des actualités métropolitaines. Cependant, la croissance exponentielle de la population mondiale et la mondialisation ont généré une nouvelle demande sociétale pour répondre à la demande alimentaire croissante des populations, faire de notre agriculture un secteur économique exportateur et améliorer la qualité et la diversité de notre alimentation.

Au sortir de la guerre, et tout au long de la seconde moitié du XX^e siècle, parmi les défis liés au changement global et aux enjeux géopolitiques mondiaux resurgit une question que l’on croyait révolue celle de la subsistance. Comment nourrir le monde dont la population a triplé en 70 ans et qui devrait atteindre 10 milliards d’habitants à la mi-temps de ce siècle ? Les grands pays agricoles se sont alors employés à satisfaire la demande mondiale en quantité d’abord mais aussi en qualité. Pour la France, il faudra attendre les années 70 pour devenir exportateur. Cette prouesse le doit pour beaucoup à l’amélioration génétique, au progrès de la mécanisation, de la fertilisation et de la protection des cultures, et dans toutes ces technologies la chimie, qu’elle soit organique, minérale ou biologique, est un levier majeur de progrès. Bien sûr le système agricole et alimentaire français reste perfectible, mais selon l'Index de durabilité des systèmes alimentaires et pour la troisième année consécutive, il est élu le plus durable au monde.

Ce progrès a été accompagné d’excès, d’erreurs et de nouveaux enjeux sont apparus : la gestion des ressources, la préservation de l’environnement, l’adaptation au réchauffement climatique, tout en augmentant la production alimentaire mondiale de 70 % selon les souhaits de la FAO et sans augmenter les surfaces agricoles. C’est un formidable défi pour lequel les sciences et les technologies doivent se mobiliser. Cet enjeu planétaire touche chacun d’entre nous et les orientations de notre agriculture font débat : agriculture industrielle, biologique, biodynamique, urbaine, agroécologie, abandon de l’élevage… Un contrat doit être passé entre la société devenue très urbaine et les agriculteurs afin que cesse cette défiance entre consommateurs et producteurs.

Il n’y a pas de recette miracle mais il faut d’urgence une réponse à la question : Quelle agriculture voulons-nous et quel rôle la chimie doit-elle jouer ?

Délaissant les ressources aléatoires de la cueillette et de la chasse pour mettre en oeuvre une production plus pérenne d’espèces végétales ou animales sélectionnées pour se nourrir, l’Homme inventa l’agriculture. Basée sur des observations judicieuses, celle-ci s’enrichit au fil du temps d’un savoir, au départ pragmatique, puis de plus en plus raisonné reposant sur la compréhension des phénomènes et du fonctionnement des milieux agricoles et des organismes vivants que sont les plantes cultivées et le bétail. Le développement d’une agriculture moins tâtonnante et plus productive repose dès le XIX^e siècle sur l’essor des connaissances en chimie, physique et biologie, au XX^e siècle en génétique, biochimie, biologie moléculaire avec la découverte de la structure chimique de l’ADN qui ouvrit la porte à la génomique, aux biotechnologies et au génie génétique, et au XXI^e siècle sur l’informatique.

La structure physico-chimique des organismes vivants, le fonctionnement intime des cellules et des organes, les métabolismes ont pu être appréhendés grâce à de nouveaux appareils de mesure, d’observation et d’analyse des constituants chimiques. Les réactions biochimiques en sont la clef. La chimie analytique qui se perfectionne avec des instruments de mesure de plus en plus précis et sophistiqués (spectromètre, chromatographe, etc.) contribue à mieux comprendre les phénomènes de transformation au sein des organismes vivants. Ainsi, on sait aujourd’hui que les engrais à base d’azote, de phosphore et de potassium sont indispensables au développement des plantules. La protection des cultures contre leurs bio-agresseurs que sont les micro-organismes pathogènes, les insectes ravageurs ou encore les adventices indésirables, nécessite de comprendre l’essence des interactions et les mécanismes des relations au sein des populations ou d’une espèce, et entre les espèces. La communication entre les organismes au sein des écosystèmes met en jeu des médiateurs chimiques qui sont étudiés par une nouvelle discipline, l’Ecologie chimique, qui vit le jour en 1970.

À la moitié du XX^e siècle, fort des succès remportés par le DDT (dichloro-diphényle-trichloro-éthane), un insecticide organochloré utilisé pendant la Seconde Guerre mondiale pour juguler des épidémies et maladies (typhus, malaria), le contrôle des insectes ravageurs et des maladies par les produits phytopharmaceutiques de synthèse a permis de sauver des récoltes, de libérer les écoliers des campagnes d’hannetonnage, d’assainir les milieux et d’améliorer les conditions de vie des agriculteurs. Mais ces succès se sont accompagnés dans certains cas d’effets environnementaux négatifs par manque de connaissances. Aujourd’hui une compréhension plus étayée des phénomènes développe de nouvelles façons d’interagir, les démarches agro-écologique, biotechnologique et numérique afin de limiter les nuisances de ces bioagresseurs tout en préservant au mieux les milieux physico-chimiques dans lesquels nous vivons.

De ce survol historique, une évidence s’impose : la chimie est bien la discipline-clef pour appréhender l’évolution de l’agriculture et un des outils nécessaires à sa durabilité.

Le procédé de composition en caractères mobiles mis au point par Johannes Genfleisch dit Gutenberg (1397 ?- 1468) vers 1450 a permis le développement de l’imprimerie. Grâce à cette invention, des traités de chimie pratique sont publiés.

Dès 1500, le premier texte descriptif parait, il a pour titre « Buch zu Distillieren » (livre de la distillation), il est écrit en allemand et des dessins figurent dans l’ouvrage. Son auteur est Hieronymus Brunschwig (1450 ?-1512 ?). Il est né à Strasbourg, possession du Saint Empire romain germanique, c’est pourquoi il écrit en allemand. C’est un traité pratique qui donne de nombreux détails, décrit les appareils à distiller ainsi que leur utilisation en pharmacologie. Pour Brunschwig, la distillation est une technique de purification.

En Italie, c’est Vannoccio Biringuccio (1480-1539 ?), chimiste, mathématicien et spécialiste de la métallurgie qui rend compte, dans un ouvrage paru en 1541 à Venise, de l’utilisation de la chaleur dans les fonderies. Ce livre « la Pirotechnia » est un traité clair qui détaille la fabrication de la poudre à canon ainsi que la métallurgie et la fonte de nombreux objets, il est écrit en italien, possède un sommaire détaillé. Biringuccio décrit quelques métaux comme l’or, l’argent, le cuivre, le plomb, l’étain, le fer et aussi le mercure et le soufre. Son ouvrage comporte 94 illustrations et est traduit en français en 1556.

« De re metallica » (de la métallurgie) est imprimé en 1556 à Bâle un an après la mort de son auteur un médecin et chimiste saxon Georg Bauer dit Agricola (1494-1555). Cet ouvrage décrit la prospection, l’extraction des minerais, leurs traitements chimiques ainsi que l’affinage des métaux. Il est basé sur les expériences personnelles d’Agricola. Ce dernier donne une définition du métal : « Un métal est un corps extrait du sol, liquide ou liquéfiable par la chaleur du feu. Quand il se refroidit, il revient à sa dureté et à sa forme antérieure. En cela, il diffère des pierres fusibles, car celles-ci, une fois refroidie, ne reviennent pas à leur forme antérieure ».

Le dernier personnage Lazarus Ercker (1530-1594), chimiste et métallurgiste, signe un traité en 1574 sur « la description des méthodes de traitement et d’exploitation des minerais ». Il expose, de manière systématique les techniques utilisées à l’époque ainsi que les méthodes appliquées pour titrer les métaux précieux car il est contrôleur de la monnaie à Kutna Hora près de Prague. On peut considérer ce manuel comme le premier manuel de chimie analytique.

Ainsi grâce à l’imprimerie et à l’exploitation des carrières et des mines, de nombreux ouvrages techniques et métallurgiques paraissent. Ils décrivent des méthodes utilisées, ils s’adressent aux techniciens, sont rédigés dans la langue du pays et sont bien illustrés. Ils ont eu une influence considérable sur le développement de la chimie.

Pour en savoir plus :

Hieronymus Brunschwig (1450?-1512?), notice BNF

Vannoccio Biringuccio (1480-1539), notice BNF

La nature et la formation des métaux selon Agricola et ses contemporains, de Robert Halleux, Revue d'histoire des sciences, tome 27, n°3, 1974. pp. 211-222. DOI : https://doi.org/10.3406/rhs.1974.1086

Robert Boyle (1627-1691) est à la fois physicien et chimiste et aussi un habile expérimentateur qui défend la méthode expérimentale.  Dans son ouvrage « Expériences sur les couleurs » paru en 1663, Robert Boyle ne s’intéresse pas à la lumière comme Isaac Newton (1642- 1727) mais à la matière colorée. Il réalise de nombreuses expériences avec divers réactifs afin de distinguer les acides et les bases, de reconnaitre les chlorures. C’est le début de l’utilisation des réactifs colorés en chimie.

Robert Boyle est considéré comme le créateur de l’analyse chimique. Il décrit une expérience dans laquelle une solution colorée change de couleur en présence d’un acide ou d’une base. Il indique qu’il utilise une décoction de sirop de violette. Pour réaliser la décoction, il met les pétales de violette dans de l’eau qu’il porte à ébullition puis il laisse macérer avant de filtrer la solution obtenue. Cette solution est d’un bleu violet.
Il met quelques gouttes de ce réactif sur un papier blanc puis il ajoute quelques gouttes d’acide ou de base, il constate un changement de couleur. En présence d’acides le papier devient rouge et vert en présence de bases. Il utilise aussi d’autres solutions colorées comme le suc de bluet, la liqueur de bois de Brésil, la teinture de cochenille. Le suc de bluet rougit avec les acides et verdit avec les bases. La liqueur de bois de Brésil et la teinture de cochenille prennent une teinte plus vive avec les acides et gardent la couleur primitive avec les bases. Ce protocole expérimental de test d’acidité conduira au papier pH.

Le papier pH utilisé de nos jours est un papier imbibé d’un indicateur universel. Lorsqu’on dépose une goutte de solution sur le papier pH, celui-ci prend la teinte du pH de la solution. Les indicateurs colorés utilisés en pH-métrie sont des couples acido-basiques dans lesquels l’acide et la base conjuguée ont des couleurs différentes. Ils permettent de déterminer l’équivalence lors d’un dosage acido-basique.

Avec le nitrate d’argent, il identifie les chlorures. Il se forme un précipité de chlorure d’argent qui noircit à la lumière. Les bromures et les iodures réagissent aussi avec le nitrate d’argent en donnant des précipités jaunes. Ces tests sont toujours utilisés de nos jours.

Plus généralement, les indicateurs colorés sont des couples de deux espèces chimiques de couleur différente. En fonction du milieu, une des formes prédomine et donne sa couleur à la solution. Une des formes peut-être incolore. Il existe des indicateurs colorés redox comme le bleu de méthylène, des indicateurs colorés de complexométrie comme le noir ériochrome T utilisé pour mesurer la dureté de l’eau et des indicateurs de précipitation comme le chromate de potassium.

Le progrès médical. 1933, p9, BIU Santé, licence ouverte 
 

Pour en savoir plus :

Robert Boyle (1627-1691) et la pharmacologie, de Patrice Pinet, Revue d'histoire de la pharmacie, 88ᵉ année, n°328, 2000. pp. 471-484. DOI : https://doi.org/10.3406/pharm.2000.5153

La méthode scientifique de Robert Boyle, de Marie Boas, Revue d'histoire des sciences et de leurs applications, tome 9, n°2, 1956. pp. 105-125. DOI : https://doi.org/10.3406/rhs.1956.3570

Le XVIIe siècle dans l'histoire de la matière selon Chevreul, de Josette Fournier, Revue d'histoire de la pharmacie, 90ᵉ année, n°333, 2002. pp. 31-52. DOI : https://doi.org/10.3406/pharm.2002.5322

Histoire de la chimie depuis les temps les plus reculés jusqu'à notre époque, par le Dr. Hoëfer, Le Journal des sçavans, Académie des inscriptions et belles-lettres (France), 185, p. 250

L’hydrogène H₂ existe parfois dans des sites géologiques bien identifiés ! L’hydrogène d’origine géologique a des influences non encore prises en compte sur le climat avec en particulier un impact sur les concentrations de l’ozone atmosphérique en raison de son pouvoir réducteur puissant. Des puits fonctionnent déjà au Mali, en Amérique du Nord et plus récemment en Australie et même en Europe !

Le méthane est craqué vers 2000°C avec un plasma électrique. L’intérêt de la méthode réside dans le fait que la production d’hydrogène s’accompagne de noir de carbone très utilisé dans de nombreux domaines allant des bétons aux peintures en passant par les encres…Une unité de production fonctionne déjà aux USA depuis 2020.

La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau utilisant de l’électricité décarbonée issue d’énergies renouvelables ou nucléaire est LA technique de base retenue par l’Union européenne. Plusieurs procédés sont évoqués. Cependant Il ne faut pas oublier la pyrolyse du gaz naturel à haute température beaucoup moins gourmande en énergie électrique que l’électrolyse et qui produit de l’hydrogène et du noir de carbone valorisable.