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Le 06/11/2014 Page : 1/4 Devoir n°1 (2h) T
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I. La découverte de la LED bleue
Document 1 : Le Nobel de physique 2014
Source : http://www.larecherche.fr/actualite/matiere/nobel-physique-recompense-decouverte-led-bleue-07-10-2014-19207 Le prix Nobel de physique 2014 est attribué à deux chercheurs japonais et un américain pour avoir découvert et développé la diode électroluminescente bleue permettant de produire de la lumière peu coûteuse en énergie.
Le Comité Nobel a attribué, ce mardi 7 octobre, le prix Nobel de physique 2014 à Isamu Akasaki et Hiroshi Amano de l’université de Nagoya au Japon, ainsi qu’à Shuji Nakamura, de l’université de Santa Barbara aux Etats-Unis. Il récompense leurs travaux sur la diode électroluminescente (ou led en anglais, pour light-emitting
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diode) bleue.
Alors que des led rouges ou vertes ont été mises au point dans les années 1960, fabriquer une diode
électroluminescente bleue restait un problème pour les physiciens. Et de plus un sérieux manque. Ils savaient en effet qu’en associant cette led bleue aux deux premières, elle permettrait de créer de la lumière blanche à faible coût et avec un fort rendement énergétique.
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Les choses ont commencé à changer en 1989, lorsque Isamu Akasaki et Hiroshi Amano ont réussi à en
fabriquer à partir de nitrure de gallium, un semi-conducteur qui émet une lumière bleue. Pour y arriver, il leur fallait doper ce semi-conducteur. C’est-à-dire y ajouter une couche déficitaire en électrons (n) et une couche excédentaire en électrons (p) qui, une fois empilées, produisent des photons. Une prouesse réalisée en utilisant du silicium pour doper la couche n et du magnésium pour la couche p.
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Mais si l’objectif était atteint, la puissance de cette lumière était encore faible. En 1992, Nakamura en
augmente le rendement énergétique et la puissance en modifiant sa structure grâce à une couche d’indium d’à peine quelques nanomètres d’épaisseur. La première led bleue commercialisable était née.
« Tous trois méritent amplement ce prix Nobel car il s’est instauré une saine concurrence entre eux qui a permis les améliorations pour lesquelles ils sont récompensés aujourd’hui, raconte Bernard Gil, directeur de
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l’institut de physique de l’université Montpellier 2. C’est une rupture technologique extraordinaire avec des applications colossales. »
Car grâce à leur découverte, les lampes à led produisent une lumière blanche, utilisée aujourd’hui pour l’éclairage domestique et public. Elles durent 100 fois plus longtemps que les ampoules à incandescence pour un coût énergétique très faible. « Même les matériaux qui la composent ont un impact environnemental quasi
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nul », ajoute Nicolas Lhermet du laboratoire Leti du CEA à Grenoble.
Ces travaux ont ainsi contribué à économiser les ressources de la planète à très grande échelle puisqu’un quart de la consommation d’électricité mondiale sert à l’éclairage. Ce prix récompense trois personnes « ayant apporté le plus grand bénéfice à l’humanité » conformément aux dernières volontés d’Alfred Nobel. Et pour avoir travaillé avec eux, Bernard Gil l’affirme : « Ce sont en plus trois hommes qui inspirent la confiance, le
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respect et la loyauté. »
Par Rémi Canali
Document 2 : Qu’est-ce que la lumière bleue ?
Source : http://www.e-sante.fr/led-attention-risques-potentiels-pour-sante/actualite/488 - paragraphe2
À savoir : au tout début, les LED servaient uniquement de témoins lumineux. Ensuite, elles ont été utilisées pour l’éclairage des écrans de télévision et d’ordinateur, avant d’être employées comme système d’éclairage à part entière.
Les diodes électroluminescentes ou LED ont littéralement envahi notre environnement. Économiques en raison de leur faible consommation d’énergie et de leur très longue durée de vie, elles sont largement utilisées pour l’éclairage de nos logements, des lieux de travail, des lieux publics comme les gymnases et les centres
commerciaux, etc. Elles sont également employées pour l’éclairage de la voie publique, les rues, les autoroutes.
On les trouve aussi dans les phares de nos voitures ou encore dans les appareils de luminothérapie, sans oublier les écrans de télévision, d’ordinateur et de smartphone…
Ces LED émettent ce que l’on appelle de la lumière bleue artificielle, une composante de la lumière blanche comme celle émise par le soleil ou par une ampoule électrique classique et qui est composée des couleurs de l’arc-en-ciel. Sauf que cette lumière bleue émise par les LED est beaucoup plus forte que les ultra-violets et davantage chargée en énergie que la lumière naturelle. (…)
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Quels sont les risques de la lumière bleue ?
L’Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail (Anses), a chargé un groupe d’experts d’évaluer les risques associés à la lumière bleue. En 2010, leur rapport mentionnait qu’il existe encore peu de données permettant de statuer sur les dangers potentiels.
Par ailleurs, les études se multiplient, montrant que l’usage en soirée des écrans (smartphones, tablettes, ordinateurs, télés) perturbe le rythme veille/sommeil et retarde l’endormissement, avec ensuite des répercussions scolaires et professionnelles : fatigue, somnolence, troubles de l’attention, de la concentration, baisse de productivité…
LED, des risques clairement évoqués : Plusieurs risques seraient associés à la lumière bleue :
Effet toxique sur le cristallin et la rétine.
Effet aggravant sur la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA).
Perturbation des rythmes circadiens (horloge biologique).
Éblouissement et inconfort visuel.
Effet stroboscopique lié à la fluctuation de l’intensité de la lumière mais qui est imperceptible visuellement.
1. Questions sur les documents
1.1. En quoi la découverte de la LED bleue est-elle importante pour l’éclairage ? 1.2. Quels sont les avantages et les inconvénients de l’utilisation des LED bleu ? 2. Choix du dopant pour les semi-conducteurs
Extrait de la classification périodique
I II III IV V VI
2 Li Be B C N O
3 Na Mg Al Si P S
4 Ga (gallium) Ge (germanium) As (arsenic) Se (sélénium)
5 In (indium) Sn (étain) Sb (antimoine) Te (tellure)
2.1. Lors des expériences, vous avez utilisé des diodes au silicium c’est-à-dire que le cristal était formé à partir de silicium. Rappeler la structure électronique du silicium. En déduire le nombre d’électrons sur la dernière couche électronique. Donnée : numéro atomique du silicium Z = 14
2.2. Expliquer pourquoi un atome de phosphore est un site donneur pour un cristal de silicium.
2.3. Pour obtenir un cristal dopé (n), comme négatif, faut-il des sites donneurs ou des sites accepteurs ? 2.4. Pour un cristal dopé (p), comme positif, proposer un atome pour le dopage. Justifier votre réponse.
2.5. Pour le semi-conducteur du Document 1, quel est le cristal utilisé ? Quel est l’élément chimique pour doper la couche (n) ?
3. Mini-problème : « Comment calculer l’économie réalisée avec une ampoule à LED gu10 ? »
source : http://www.ampoule-leds.fr/
Ci-contre notre modèle d’ampoule à LED gu10 48 led premium® affichant une
« consommation » de 4 W pour une puissance restitués d’environ 40 W ( information confirmée par nos clients ).
Le challenger de notre ampoule à LED sera une ampoule halogène d’une puissance lumineuse de 50 W pour une « consommation » de 50W d’une marque que nous ne citerons pas (pour ne pas avoir d’ennui) mais de très bonne qualité ceci afin d’avoir un match
correct. Pour info, l’ampoule halogène est plus puissante mais son angle de diffusion est de 50° alors que notre ampoule à LED offre un éclairage sur 140°.
Données : E = P t avec l’énergie électrique E en kWh si la puissance P est en kW et la durée t en heure ; coût d’1 kWh (en 2014) = 0,13720 € TTC ; coût d’une ampoule halogène : 9 € ; coût d’une ampoule à LED : 13 € ; Durée de vie d’une ampoule halogène : 2 500 h ; Durée de vie d’une ampoule à LED 50 000 h
3.1. Calculer, sur 2 ans, l’économie réalisée (en %) avec une ampoule LED comparée à une ampoule halogène pour une durée de fonctionnement de la lampe de 4h/jour.
Tout début de raisonnement sera valorisé. Détailler vos calculs et votre raisonnement.
3.2. Un magasin de Rennes situé près du lycée annonce une économie de 90% lors de l’utilisation des ampoules LED à la place des ampoules halogène de caractéristiques semblables. La publicité est-elle mensongère ? Un calcul supplémentaire est demandé.
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II. Corrosion et zinc
Document 1 : Protéger la tour Eiffel de la corrosion
« Les 250 000 mètres carrés de la tour Eiffel sont peints au pinceau à brosse ronde. En la peignant, on vérifie la structure et on l’entretient. C’est ainsi depuis Eiffel, la Tour n’a jamais été décapée.
Des 60 tonnes de peinture qu’on pose à chaque campagne, il en reste 15 quand on recommence sept ans après. Le vent, le sable
abrasent la peinture. On estime qu’il reste sur la Tour pour 250 tonnes de peinture des dix-huit campagnes précédentes. Soit un quarantième de son poids »
D’après A. Bavelier, www.lefigaro.fr, 28 mars 2009 »
Document 2 : Élaboration du zinc par hydrométallurgie
Les minerais de blende reçus dans une fonderie contiennent principalement du sulfure de zinc ZnS mais aussi d’autres métaux, plomb, fer et cuivre, qui doivent être éliminés pour élaborer le métal zinc.
Le zinc est élaboré à partir de son minerai par hydrométallurgie selon les étapes suivantes, Le minerai est d’abord grillé dans un four, avec de l’air, pour former la calcine : un mélange d’oxydes dont l’oxyde de zinc ZnO. Ces oxydes sont ensuite dissous dans de l’acide sulfurique liquide concentré. Seul le plomb reste à l’état solide et est éliminé par filtration. Les autres métaux se retrouvent en solution sous forme d’ions Zn2+, Cu2+ et Fe3+. Cette opération, appelée lixiviation, permet le passage en solution de 80% du zinc présent dans la calcine.
Le reste est contenu dans des produits issus du grillage et insolubles dans l’acide sulfurique.
Pour éliminer les ions métalliques gênants de la solution obtenue après lixiviation, on fait passer la solution dans différentes cuves où son pH augmente progressivement pour atteindre pH=5 dans la dernière cuve. Plusieurs hydroxydes métalliques précipitent et sont éliminés par décantation.
Dans la dernière étape, la solution est purifiée par cémentation : l’élimination de la plupart des ions métalliques restants en solution se fait par ajout de poudre de zinc. Ceux-ci se déposent sur les particules de zinc et sont éliminés par filtration.
Document 3 : Électrolyse de la solution aqueuse d’ions zinc II
L’électrolyse est réalisée dans des cuves en ciment revêtues de PVC vers 30 à 40°C, La solution aqueuse contient 170 g.L-1 d’acide sulfurique H2SO4 et 50 g.L-1 de zinc. Les anodes sont en alliage de plomb inattaquables dans les conditions de l’électrolyse et il s’y produit un dégagement gazeux.
Les cathodes sont des plaques d’aluminium de surface totale 2 1,6 m2.
Le pH de la solution est tel que l’alumine qui recouvre naturellement l’aluminium n’est pas dissoute, ce qui permet de décoller plus facilement le zinc qui s’y dépose lors de l’électrolyse.
La tension est en moyenne de 3,5 V aux bornes des électrolyseurs. Toutes les 48 h, le zinc est décollé des cathodes par pelage. La production peut atteindre 3,0 tonnes par jour et par cellule de 86 cathodes. Le zinc obtenu est très pur (99,995%) et n’a pas besoin de subir de raffinage ultérieur.
Document 4 : La corrosion galvanique
La corrosion galvanique est due à la différence de potentiel entre deux métaux en contact, ou reliés entre eux et plongés dans un électrolyte, comme l’eau de mer: une pile électrique est ainsi formée.
Les électrons quittent le métal au potentiel le plus faible (l’anode) pour se diriger au travers des
métaux en contact vers celui au potentiel le plus élevé (la cathode). L’anode se consomme au profit de la cathode. Ce phénomène ne se déclenche que si les deux métaux sont en contact : le circuit électrique est alors fermé.
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Solution contenant des
ions Zn2+
Document 5 : Protection de l’acier contre la corrosion
La corrosion a des conséquences importantes au niveau économique.
La lutte contre la corrosion permet de rallonger la durée de vie des objets en acier.
On peut :
incorporer du chrome et du nickel à l’acier pour obtenir un acier inoxydable ;
recouvrir l’acier d’une couche protectrice imperméable (peinture, vernis, plastique) ; …
D’après http://meckanique.legtux.org
1. Questions Document 1
1.1. Expliquer comment la peinture assure la protection de la tour Eiffel.
1.2. Quelle est la masse de la tour Eiffel ? 2. Questions Documents 2 et 3
Données :
Le pH de début de précipitation de divers hydroxydes : Zn(OH)2 : 6,5 ; Cu(OH)2 : 5,2 ; Fe(OH)3 : 2,0.
M(Zn) = 65,4 g.mol-1 ; 1 F = 1 faraday = 9,65104 C.mol-1 = valeur absolue de la charge électrique transportée par une mole d’électrons.
Couples oxydant/réducteur : H+(aq)/H2(g) ; O2(g) /H2O (l) ; Zn2+(aq)/Zn(s) ; S2O8 2-
(aq) / SO4 2-
(aq).
2.1. Écrire l’équation de la dissolution de l’oxyde de zinc ZnO dans la solution d’acide sulfurique de formule (H+(aq)+SO4
2-
(aq)); les ions sulfate sont spectateurs et l’eau est un des produits.
2.2. Justifier le choix du pH= 5 dans la dernière cuve. Écrire l’équation qui conduit à la formation d’un des précipités.
2.3. Justifier le dépôt rougeâtre sur les particules de zinc ajoutées pour la cémentation. Écrire l’équation de la réaction qui a lieu.
2.4. Faire un schéma annoté de l’électrolyse. Préciser le sens de déplacement des charges dans la totalité du circuit.
2.5. Écrire les demi-équations qui se produisent aux électrodes puis l’équation qui traduit le bilan de l’électrolyse.
Le couples concernés sont : Zn2+(aq)/Zn(s) et O2(g)/H2O (l).
2.6. Calculer l’intensité I du courant qui doit traverser chaque cellule. La masse et l’intensité sont reliées par la relation It = 2mZn
MZn
F. Avec t la durée de l’électrolyse mZn la masse obtenue et MZn la masse molaire du zinc.
3. Questions Document 4
3.1. On propose un schéma électrique pour la pile constituée par l’association fer-zinc du document 4. Le but est la protection de fer. Indiquer le sens de déplacement des électrons dans le circuit électrique. Quel métal joue le rôle d’anode ? De cathode ? Justifier. Compléter le schéma.
3.2. Proposer une explication à l’utilisation de blocs de zinc pour protéger l’hélice en acier d’un bateau. Faut-il que les deux métaux soient en contact ?
3.3. Les blocs de zinc doivent-ils être changés régulièrement ? Pourquoi parle-t-on pour cette technique de protection cathodique à anode sacrificielle?
4. Conclusion
4.1. Rédiger une synthèse pour recenser et justifier les moyens permettant de limiter la corrosion de l’acier autant dans le cas des bateaux, des voitures que du bâtiment ou de l’outillage.
Anodes sacrificielles sur la coque d’un navire.
