CO et CO₂ : Deux Gaz, Deux Risques, Deux Mécanismes Biologiques

Deux gaz, un seul atome de différence

Le monoxyde de carbone (CO) et le dioxyde de carbone (CO₂) sont deux composés simples du carbone et de l’oxygène, mais leurs propriétés physiologiques diffèrent radicalement. Alors que le CO est un gaz hautement toxique à très faible concentration, le CO₂ est un gaz produit en permanence par notre métabolisme, toléré dans certaines limites. Pourtant, la seule différence structurelle entre ces deux molécules est la présence d’un atome d’oxygène supplémentaire dans CO₂.

Physique de la liaison chimique

Le CO ne contient que deux atomes (carbone et oxygène), donc sa géométrie est linéaire (un seul axe d’alignement). Les atomes sont alignés en ligne droite : C–≡–O (deux atomes alignés).

Le CO₂, quant à lui, est aussi linéaire mais symétrique et non polaire, avec deux liaisons doubles : O=C=O (trois atomes en ligne droite).

• Plus la différence d’électronégativité est grande, plus le nuage électronique se déforme vers l’atome le plus électronégatif, générant une liaison polaire.
• Les liaisons dans CO et CO₂ ont la même différence d’électronégativité (0.89), mais la géométrie moléculaire fait toute la différence. Le CO est polaire (moment dipolaire net), le CO₂ est non polaire (moment dipolaire nul par symétrie).
• Plus une liaison est courte, plus elle est forte, c’est-à-dire que plus d’énergie est nécessaire pour la rompre.
• Dans le CO, la liaison C≡O est très courte (~112,8 pm) et possède une énergie de liaison élevée (~1076 kJ/mol), caractéristique d’une liaison triple.
• Dans le CO₂, les liaisons C=O sont plus longues (~116 pm) et moins fortes que celles du CO, bien que restant relativement stables (énergie ~805 kJ/mol).

Cette différence de structure modifie la réactivité chimique, l’interaction avec les biomolécules, et donc la toxicité physiologique.

Une toxicité liée à l'affinité pour l'hémoglobine

La toxicité du CO provient de son affinité très forte pour l’hémoglobine, environ 230 à 300 fois supérieure à celle de l’oxygène. Une fois lié à l’hémoglobine pour former la carboxyhémoglobine (HbCO), le CO empêche l’O₂ de se fixer et altère sa libération dans les tissus, entraînant une hypoxie sévère. À 0,1 % (1000 ppm) de CO dans l’air, une personne peut perdre connaissance en quelques minutes.

En revanche, le CO₂ ne se fixe pas sur l’hémoglobine de la même manière. Il est produit dans les mitochondries lors de la respiration cellulaire, transporté partiellement sous forme de bicarbonate \( \text{HCO₃⁻} \), et expiré par les poumons. Ce gaz joue même un rôle clé dans la régulation du pH sanguin.

CO₂ : un gaz physiologique… à dose maîtrisée

Bien qu’il soit un déchet métabolique, le dioxyde de carbone n’est pas intrinsèquement toxique en faibles concentrations. Néanmoins, lorsqu’il dépasse 2-3 %, il perturbe l’équilibre acido-basique en formant de l’acide carbonique \( \text{CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻}\), ce qui mène à une acidose respiratoire. Ce n’est qu’au-delà de 5-8 % de CO₂ dans l’air que l'on observe des effets neurologiques graves et un risque vital.

Pourquoi plusieurs personnes peuvent dormir sans problème dans une chambre fermée ?

Le CO₂ devient toxique pour l'organisme humain dès 2-3 %, avec des effets graves et potentiellement mortels au-delà de 5 % dans l'air respiré.

Un adulte au repos expire environ 200 mL de CO₂ par minute. Sur 8 heures de sommeil, chaque personne génère environ 90–100 L de CO₂ par nuit.

Prenons une chambre de 15 m² de surface 2,5 m de hauteur sous plafond, le volume total = 37 500 L. Le CO₂ expiré par une personne représente : \(\frac{100\ \text{L}}{37\,500\ \text{L}} = 0{,}0027 = 0{,}27\%\) Ajout de 0,27 % de CO₂ dans la pièce sur une nuit complète, sans ventilation.

L'air extérieur contient ~0,04 % de CO₂. En chambre fermée, avec 2 personnes, le taux peut monter entre 0,2 % et 0,5 % (soit 2000–5000 ppm). Ce niveau reste sous les seuils pathologiques (les premiers symptômes d'hypercapnie commencent vers 2-3 %).

Même avec plusieurs personnes, le CO₂ reste bien en-dessous des seuils toxiques pendant une nuit classique, sauf si la pièce est extrêmement petite, complètement étanche et sans aucune fuite d'air (ce qui est rare).

Exemples où une légère différence structurale ou atomique entraîne des effets radicalement différents

Éthanol (C₂H₅OH) vs. Diméthyléther (CH₃OCH₃)

• L’éthanol est potable, métabolisé par le foie.
• Le diméthyléther est un gaz anesthésiant toxique à forte dose, non métabolisé par les mêmes voies.

Glucose vs. Galactose, même formule brute (C₂H₆O)

• Dans le glucose, le groupe –OH du carbone 4 est du côté droit. Dans le galactose, ce même –OH est du côté gauche.
• Le glucose est la principale source d’énergie cellulaire.
• Le galactose nécessite une enzyme spécifique (GALT) pour être métabolisé ; son accumulation cause la galactosémie, maladie grave chez les nourrissons.

Quand la chimie moléculaire devient imprévisible !

Une modification apparemment mineure dans la structure moléculaire – comme l'ajout ou le retrait d’un seul atome – peut entraîner des effets biochimiques profondément différents, voire opposés.

Cela montre à quel point les propriétés chimiques émergent de la structure moléculaire fine. Et cela souligne pourquoi la prédiction des interactions chimiques et biologiques est complexe : elle dépend non seulement des éléments présents, mais de leur agencement spatial, de la polarité, de la symétrie, des orbitales moléculaires…