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date de publication20.04.2017
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Classe : 1ère STL

Enseignement : Physique et chimie en laboratoire




THEMES du programme :

Chimie : enjeux sociétaux, économiques et environnementaux


Sous-thèmes :

Champs d’application de la chimie et évolution des techniques
La chimie face à l’environnement




La chimie : quelles réponses pour l’industrie automobile aux préoccupations environnementales ?


Extrait du BOEN

Connaissances

capacités

Champs d’application de la chimie.

Aspects historiques et économiques.

Rôle de la chimie dans des problématiques liées à l’environnement.

- Citer :

. l’intervention de la chimie dans divers domaines de la vie courante ;

. l’évolution d’une technique au cours des siècles ;

. des choix opérés pour répondre à des besoins sociétaux et/ou économiques.

- Prendre conscience du lien entre science et technique.

- Citer des implications de la chimie dans des études menées sur l’environnement ou des actions visant à le préserver.

Compétences transversales et attitudes


  1. - Rechercher, extraire, organiser des informations utiles

  2. - Raisonner, argumenter


Type de ressource

  1. - Activité documentaire


Résumé du contenu de la ressource


Mots clés de recherche : environnement, pollution, biocarburant, pile à combustible, voiture à hydrogène, développement durable, pollution atmosphérique, pot catalytique



Provenance : Christine RUELLEUX christine.ruelleux@ac-strasbourg.fr

Pré-requis : Écrire l’équation d’une réaction chimique avec les nombres stœchiométriques corrects.
Positionnement dans le programme : Cette activité peut être proposée en tout début d’année pour une première approche des enjeux de la chimie face au développement durable.

PROBLÉMATIQUE : Comment l’industrie automobile peut-elle utiliser la chimie pour apporter des réponses aux préoccupations environnementales ?
Après avoir répondu aux questions des différents documents, vous répondrez à la problématique en quelques lignes argumentées.
Document 1 : Le smog
Le smog est une brume épaisse provenant d'un mélange de polluants atmosphériques. Il est essentiellement constitué de particules fines et d'ozone. Sous l’effet de la lumière solaire, les oxydes d’azote NOx, les hydrocarbures et le dioxygène de l’air réagissent pour former de puissants oxydants tels que l’ozone O3 et le nitrate de peroxyacétyle (PAN). Dans les zones urbaines, les véhiculent produisent jusqu’à 75% des polluants à l’origine de l’ozone. Le smog irrite les yeux, le nez et la gorge. À des niveaux élevés, il provoque des crises d’asthme, bronchites, toux, douleurs dans la poitrine. Les récoltes, arbres et végétaux sont également affectés. Des niveaux dangereux d’ozone sont favorisés par un temps chaud et ensoleillé, et un air stagnant.


Document A : Pékin un jour après la pluie Document B : Pékin un jour ensoleillé
Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Smog


Document C : profils de O3 et NOx au cours d'une journée à Mexico City
Source : lpas.epfl.ch/documents/3_.pdfPages similaires

  1. Commenter les documents A et B à l’aide du texte.

  2. Quelles sont les conséquences du smog ?

  3. D’après le document C, à quelles heures de la journée les émissions d’oxydes d’azote sont-elles les plus importantes ? Proposer une explication.

  4. À quelles heures de la journée, la formation d’ozone est-elle la plus importante ? On emploie parfois le terme de « smog photochimique ». Expliquer.


Document 2 : La pollution automobile
Les moteurs des automobiles à essence ou diesel utilisent la combustion d’hydrocarbures issus de la pétrochimie comme source d’énergie. En théorie, la réaction de combustion complète forme du dioxyde de carbone et de l’eau. En pratique, cette réaction est incomplète et entraîne la formation, entre autres, de monoxyde de carbone (gaz toxique), d’hydrocarbures imbrûlés (notés HC) et d’oxydes d’azote tels que N2O, NO, NO2 (notés NOx) qui concourent à la formation de pluies acides et d’ozone O3. Les chimistes ont étudié les réactions de combustion et ont modifié les moteurs pour réduire la quantité de polluants émis. Des pots catalytiques ont été installés sur les véhicules pour convertir les polluants en produits moins nocifs.

Document D : évolution de l’émission des polluants issus du transport routier en France
Remarque : L’échelle en ordonnée est relative : elle est ramenée à la valeur 100 pour l’année 1990)
Source : centre interprofessionnel technique d'études de la pollution atmosphérique http://www.senat.fr/rap/r01-113/r01-1131.html



  1. Écrire l’équation de la réaction de combustion complète du butane C4H10.

  2. Commenter l’allure du graphique représentant les variations relatives d’émissions de polluants par le transport routier en France et proposer des explications.



Document 3 : les pots catalytiques
Le pot catalytique est un système de dépollution, inventé en 1974 par l’entreprise américaine General Motors. Il est constitué d’un support en céramique, qui résiste aux très hautes températures, dont la structure en "nid d'abeille" contient de très fines particules de métaux tels que le rhodium, le platine et le palladium. Ces métaux précieux jouent le rôle de catalyseurs dans les réactions d’oxydation du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone, de réduction des dioxydes d'azote en diazote, et dans l'oxydation des hydrocarbures non brûlés en dioxyde de carbone et en eau. La structure en « nid d'abeille » permet un excellent contact entre les gaz d’échappement et les métaux catalyseurs ; si cette surface était déployée, elle avoisinerait 4500 m², soit presque l'équivalent d'un terrain de football. Les pots catalytiques sont obligatoires en France sur toutes les voitures neuves depuis 1993. La présence de plomb dans l’essence, utilisé notamment pour améliorer la combustion, entraînait un encrassement des alvéoles ce qui limitait l’efficacité des pots catalytiques. Grâce aux progrès du raffinage du pétrole, le plomb a pu être interdit depuis le 1er janvier 2000 en Europe. La combustion d’essence produit encore d’autres polluants tels que le soufre, naturellement présent dans le pétrole et responsable des pluies acides, qui n’est pas traité par les pots catalytiques. Autres inconvénients : les métaux précieux sont rares et chers, les pots ont une durée de vie limitée et inférieure à la durée de vie des automobiles, la catalyse n’est possible qu’à haute température et ne démarre donc pas immédiatement au démarrage du véhicule.
Source : http://culturesciences.chimie.ens.fr/dossiers-chimie-societe-autresdocs-

Document E : Structure en « nid d’abeilles » d’un pot catalytique
Source : http://culturesciences.chimie.ens.fr/dossiers-chimie-societe-autresdocs-DiaporamaPotCatalytiq1.html


  1. Expliquer la dénomination « pots catalytiques ».

  2. Quel est l’intérêt de la structure en « nid d’abeille » ?

  3. A quelles transformations chimiques décrites dans le texte correspondent les équations suivantes ?


C2H6 + 7/2 O2 → 2 CO2 + 3 H2O

2 CO + O2 → 2 CO2

2 NO + 2 CO → N2 + 2 CO2


  1. Expliquer comment la chimie a permis de limiter la pollution automobile.

  2. Quels polluants ne sont pas traités par le pot ?

  3. Citer les conséquences sur l’environnement.

  4. Les pots catalytiques sont-ils une réponse définitive à la pollution automobile ? Justifier.



Document 4 : les nouveaux biocarburants
Le développement de la filière biocarburant a débuté avec la fabrication d’éthanol et biodiesel à partir de cultures telles que le colza, le blé, et la betterave. Une deuxième génération de biocarburants, disponible en très grande quantité et n’entrant pas en compétition avec la filière alimentaire, utilise la lignocellulose (constituant essentiel des plantes, arbres, pailles). Deux voies sont possibles pour transformer la lignocellulose :


  • la voie sèche ou thermochimique, dans laquelle la lignocellulose (formée d’hémicellulose, de lignine et de cellulose) est chauffée à plus de 800 °C. Le gaz produit (mélange de CO et de H2) peut être ensuite transformé en hydrocarbures de synthèse (CxHy). Toute plante peut fournir du biocarburant par cette voie.




  • la voie biologique « froide », dans laquelle les végétaux broyés sont soumis à l’action de microorganismes (champignons) dont les enzymes libèrent la cellulose de la lignine et l’hydrolysent en sucres, eux-mêmes convertis en alcools, dont l’éthanol. Avec cette voie, on n’obtient que de l’éthanol.


Le développement de ces biocarburants est actuellement limité par leur coût de production.

Source : http://culturesciences.chimie.ens.fr/dossiers-synthese-biosynthese-article-Carbone_Renouvelable_INRA.html


  1. Expliquer le terme « biocarburant ».

  2. Pourquoi cherche-t-on à développer des biocarburants autres que l’éthanol et le biodiesel issus des cultures ?

  3. Expliquer le terme « hydrocarbure de synthèse ».


Document 5 : la voiture à hydrogène
Pour limiter la pollution automobile liée à l’utilisation du pétrole, des prototypes de voitures propulsées à l’hydrogène sont à l’essai. Les moteurs de ces véhicules sont équipés d’une pile à combustible qui crée de l’électricité et de l’eau à partir de dihydrogène et de dioxygène. Le dihydrogène (réducteur) s’oxyde au contact d’un catalyseur en platine en libérant des électrons et des protons captés par le dioxygène (oxydant).

Document F : schéma de fonctionnement d’une pile à combustible
Le dihydrogène étant un gaz hautement inflammable, son stockage doit être réalisé de manière non-gazeuse. Il peut être comprimé dans des bouteilles, liquéfié ou combiné chimiquement sous forme de méthanol ou de méthane qui seront ensuite transformés pour libérer le dihydrogène. La majeure partie du dihydrogène est fabriquée à l’échelle industrielle par la décomposition du méthane (issu de la pétrochimie) en présence de vapeur d’eau très chaude. Des recherches s’orientent actuellement vers l’utilisation de micro-algues pour la synthèse de dihydrogène par photosynthèse. En 2010, des chercheurs américains et allemands ont proposé d’intégrer dans le catalyseur des atomes de cuivre pour construire des nanocoquilles de platine afin augmenter le rendement de la pile et diminuer son coût.


  1. En quoi la pile à combustible semble être une réponse à la pollution automobile ?

  2. Écrire l ‘équation de la réaction se déroulant dans la pile à combustible.

  3. Écrire l’équation de la réaction de synthèse industrielle du dihydrogène.

  4. Pourquoi les chimistes s’orientent-ils vers l’utilisation des micro-algues pour la synthèse de dihydrogène ?

  5. Quelles difficultés reste-t-il à surmonter pour généraliser cette technologie dans les automobiles ?


Bibliographie :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pile_%C3%A0_combustible

Pour la Science n°69 / octobre-décembre 2010



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