Comment transforme-t-on du pétrole gluant en essence ou en gazole tellement limpides qu’on en boirait presque, si en plus ça sentait la bière ? De quoi se composent ces liquides vitaux de notre humanité énergivore ? Le petit chimiste qui se planque en chacun de nous attend impatiemment sa réponse. Tentons le défi de le satisfaire.

Le pétrole est issu de la décomposition de très, très vieilles matières végétales. Il est une sorte de fossile de plantes, formé au terme d’un processus de plusieurs dizaines de millions d’années. Avec le temps, le pétrole s’enrichit de millions de composés appartenant à plusieurs familles chimiques.

Nous ne nous intéresserons ici qu’à celle des hydrocarbures, majoritaire dans le pétrole et les carburants. Mais ne perdez pas de vue (au besoin, prenez des jumelles) que le pétrole est un mélange bien plus complexe que ma description forcément incomplète.

L'atome de carbone a quatre bras, ce qui lui permet de serrer pas mal de mains

Les hydrocarbures sont des molécules ne contenant que deux sortes d’atomes : de l’hydrogène (le H de « hydro ») et du carbone (le C de « carbure »). La nature aux lois imperturbables ayant donné quatre mains au carbone, ce dernier ne peut serrer la louche à d’autres atomes que quatre fois, pas une de plus (sauf cas particulier).

Par exemple, il peut attraper quatre atomes d’hydrogène pour former l’hydrocarbure le plus simple : le méthane, gaz célèbre puisqu’il nous fait régulièrement péter de rire.

Le carbone peut aussi s’acoquiner avec un autre carbone, formant alors un début de chaîne (C – C). Il reste à chacun trois mains libres, avec lesquelles il happe trois H et une nouvelle molécule apparaît : le gaz éthane (voir schéma). Et ainsi de suite : on peut allonger la chaîne en bout-à-boutant des C à tire-larigot, chacun se liant alors à trois H ou bien à un nouveau C qui lui-même, etc.

L’enchaînement des carbones peut se faire en ligne mais aussi présenter des ramifications ou même former une jolie ronde pour donner des molécules dites « cycliques ». Finalement, ce jeu de Lego moléculaire conduit à des milliers de molécules différentes, toutes composées de C enchaînés et complétés par des H.

La distillation permet de séparer les hydrocarbures par leur taille

L’étape fondamentale de la purification du pétrole s’appelle la distillation, qui permet de séparer les hydrocarbures selon leur taille. Le principe de l’opération est de chauffer le pétrole dans un grand chaudron au-dessus duquel on installe une tour de plusieurs dizaines de mètres de hauteur.

En chauffant le liquide, on provoque l’évaporation de ses molécules, comme en chauffant l’eau des nouilles vous formez de la vapeur d’eau. Le gaz monte alors dans la tour, et -c’est le point central du bazar- plus un gaz est léger, plus il monte haut ! On récupère donc au sommet de la tour les hydrocarbures les plus petits, ceux qui contiennent entre un et quatre atomes de carbone : méthane, éthane, propane et butane, consommés par vous et moi sous forme gazeuse.

Plus bas dans la tour, on récolte les hydrocarbures contenant cinq à dix carbones (abréviés C5 à C10) : c’est le « naphta », dont on fera de l’essence. Plus bas encore, les molécules de C10 à C13 seront à l’origine du kérosène des avions. Puis on rencontre les produits de C13 à C20, qui formeront le gazole et le fuel domestique.

Enfin, tout en bas, les molécules lourdes nommés « résidus atmosphériques » (plus de 20 carbones) sont utilisées comme fuel dans les bateaux, bitume sur les routes, etc.

Le carburant a une composition variable, avec quelques constantes

Ceux qui attendent ici une liste complète des composants de l’essence et du gazole perdront moins de temps en essayant de se lécher le coude gauche. Les deux carburants renferment plusieurs milliers de molécules, leur composition varie même selon l’origine du pétrole, les techniques de purification et les produits ajoutés en post-distillation.

Je ne peux guère vous dire mieux que l’essence contient entre 20 et 30% d’hydrocarbures comme le méthane ou l’isooctane (voir schéma), 30 à 45% de molécules comme le benzène, etc.

En revanche, certaines règles doivent être absolument respectées pour que les carburants soient autorisés à envahir nos réservoirs. Le benzène justement, aussi toxique pour l’homme qu’un face-à-face avec une horde de gnous en colère, ne doit jamais dépasser la limite de 1%. D’autres paramètres encore plus techniques sont également soumis à des règles inébranlables : densité, viscosité, température d’évaporation…

Un autre critère bien connu est nommé « indice d’octane », qui chez nous vaut 95 ou 98. Cela veut-il dire que l’essence contient 95 ou 98% d’octane ? Presque. Avec l’indice d’octane, on caractérise en fait la capacité du carburant à s’enflammer tout seul. Dans un moteur à essence, le carburant ne doit exploser que grâce à l’étincelle produite par une bougie, et surtout pas avant. Si le carburant explose quand ça lui chante, le moteur fonctionne moins bien.

L’auto-allumage doit donc être contrôlé. Les chimistes ont bossé sur le sujet, et leur verdict est tombé : pour que le moteur tourne au poil, l’essence doit se comporter comme un mélange qui ne contiendrait que deux molécules : l’isooctane et l’heptane (hydrocarbure à sept carbones). Le SP95 doit ainsi exploser comme un mélange 95% isooctane-5% heptane, et le SP98 doit ressembler à un mélange 98%-2%.

Pour connaître la qualité d'un gazole, on calcule son indice de cétane

Voilà pour l’indice d’octane. Mais connaissez-vous l’indice de cétane, qui caractérise le gazole ? Le cétane est encore un hydrocarbure, de formule C16H34 (16 carbones, 34 hydrogènes). Il entre dans la composition du gazole, et son indice mesure là aussi la capacité d’auto-allumage du carburant. Sauf que dans le gazole, c’est une qualité recherchée ! En effet, un moteur diesel ne marche pas comme un bête moteur à essence. Pour la simple raison que le gazole, formé de molécules plus grosses (vous vous souvenez ? ), est incapable de réagir à la piqûre d’une bougie. Trop lourd pour exploser sous étincelle, seule une forte pression peut le réveiller. Lorsque celle-ci est suffisamment élevée dans le piston du moteur, le gazole explose spontanément, comme un grand garçon.

Contrairement à l’essence, l’auto-allumage du gazole est donc une excellente chose ! L’indice de cétane mesure cette aptitude. En France, le gazole a un indice de 51, c’est-à-dire qu’il nous déclare sa flamme aussi bien qu’un produit contenant 51% de cétane.

On vous déconseille tout de même de l’utiliser pour déclarer la vôtre. Quoique, d’ici quelques mois, il deviendra peut-être un produit de luxe, qu’on sera ravis de s’offrir en petits flacons enveloppés de coton soyeux. Avec « cétane 51 » rondement calligraphié sur le flacon, ça aurait de la gueule, non ?