Exercices documentaires
1. 1. L’unité SI de la résistance thermique est en KW -1.
2. a. Un bon isolant thermique s’oppose au transfert thermique (Rth grande, λ faible), il nécessite peu d’énergie grise pour sa fabrication et a un faible impact environnemental.
b. Laine de verre > polystyrène expansé > ouate de cellulose > paille > air.
c. Laine de verre ≈ polystyrène expansé > ouate de cellulose > air> paille.
3. Schéma du triple vitrage (4-16-4-16-4) :
Calculons la résistance thermique pour 1 m2 de vitrage : - Double vitrage (4-16-4) :
Rth = Rth(verre) + Rth(air)+ Rth(verre) = 2 Rth(verre) + Rth(air) Rth = 2 4,0 10-3
1, 2
+
026 , 0
10
16 -3 = 0,62 KW -1 - Triple vitrage (4-16-4-16-4) :
Rth= 3Rth(verre) + 2Rth(air) = 1,24 KW -1
Le triple vitrage offre bien une meilleure isolation puisque la résistance thermique Rth est plus élevée.
--- 2. a. Chauffage, ascenseurs, éclairage…
b. La consommation d’énergie théorique est de 15,1 kWep/m2/an alors que la consommation réelle est de 49,6 kWep/m2/an. Les mesures montrent une différence de 34,5 kWep/m2/an soit une consommation réelle environ trois plus grande que celle estimée. Si l’on compare poste par poste, on s’aperçoit que la consommation réelle :
- du chauffage est environ 3 fois plus grande ;
- des pompes et auxiliaires est environ 2 fois plus grande ; - de l’activité professionnelle est environ 2 fois plus grande.
La différence s’explique par une consommation d’énergie excessive au niveau de ces postes.
Par contre, certains postes consomment moins ou sont conformes aux prévisions.
Quant à la production d’énergie photovoltaïque, elle est aussi conforme aux estimations.
Le comportement des usagers permettra de réduire les consommations et les dépenses énergétiques. Le bâtiment sera peut-être alors considéré comme à « énergie positive ».
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3. 1. Équivalent CO2 : il existe plusieurs gaz à effet de serre. Le dioxyde de carbone (CO2) est le plus connu et le plus courant, il sert de référence. Par exemple, 1 kg de méthane agit comme l’équivalent de 21 kg de CO2.
2. Une maison individuelle de surface habitable égale à 110 m2 consomme par an 3,51010 J pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire.
L’énergie consommée en kWh vaut :
10 6
3,5 10 3, 6 10
= 9 722 kWh
Soit une énergie consommée de 9,7103 kWh par an et pour une maison de 110 m2.
On préfère utiliser cette unité plutôt que le joule car cela donne des valeurs plus appréhendables et c’est une unité plus facile à utiliser.
Il s’agit d’une énergie finale car utilisée par le consommateur.
La maison consomme une énergie finale de 9,7103 kWh par an et pour une surface de 110 m2 :
soit
9,7 10 3
110
kWh par m2 et par an, c'est-à-dire 88 kWhm-2an-1
a. Tout électrique.
Pour que l’utilisateur dispose de 1 kWh d’énergie électrique, il faut qu’une centrale électrique produise 2,58 kWh.
9,7 10 3
110
2,58 = 227 = 2,3102 soit 2,3102 kWhm-2an-1
Soit une consommation d’énergie primaire de 227 kWhepm-2an-1, correspondant à un classement D.
b. D’une chaudière à gaz.
Soit une consommation d’énergie primaire de 88 kWhepm-2an-1, correspondant à un classement B.
c. D’un chauffage au bois.
Soit une consommation d’énergie primaire de 88 kWhepm-2an-1, correspondant à un classement B.
Pour le classement relatif à l’émission de gaz à effet de serre, on utilise l’équivalence entre la quantité de CO2 émise par un combustible et la consommation d’énergie primaire.
a. Tout électrique.
227 90 = 20 430 g = 20 kg soit 20 kg de CO2eqm-2an-1 correspondant à un classement C.
b. D’une chaudière à gaz.
88 234 = 20 592 g = 21 kg soit 21 kg de CO2eqm-2an-1 correspondant à un classement D.
c. D’un chauffage au bois.
88 13 = 1 144 g = 1,1 kg soit 1,1 kg de CO eqm-2an-1 correspondant à un classement A.
C’est le chauffage au bois qui a la meilleure performance énergétique.
--- 4. a. AGV signifie Automotrice à Grande Vitesse.
b. Un train de 200 m de long a une masse de 410 tonnes au lieu de 480 tonnes, soit un gain de 70 tonnes par rapport aux trains concurrents :
70
410= 0,17 soit 17 % de gain sur la masse
c. Le freinage électrodynamique par récupération permet d’économiser de l’énergie en restituant en priorité l’énergie sur le réseau lors des phases de ralentissement et d’arrêt.
d. L’« électricité sans carbone » est l’électricité produite sans émission de dioxyde de carbone.
e. Les atouts de l’AGV du point de vue du respect de l’environnement sont : - pas d’émission de CO2 ;
- 90 % des matériaux utilisés sont recyclables ; - économie d’énergie de 15 % ;
- peu d’émission sonore.
--- 5. a. La réaction de formation du « bronze de tungstène » est une réduction car c’est un gain d’électrons. WO3 oxydant.
b. Dans le manuel élève, les flèches représentant le sens de migration des cations Li+ ont été supprimées, car elles indiquaient évidemment la réponse à cette question b.
c. Ces vitrages permettent d’économiser sur la climatisation sans rien perdre au niveau de l’éclairage et du chauffage. Par conséquent, ils permettent de faire des économies d’énergie.
--- 6. Le transport fluvial est l’un des modes de transport alternatif au transport routier, transport qui va se développer dans les prochaines années du fait du Grenelle de l’environnement.
En effet, le transport fluvial est 3,7 fois plus efficace que le transport routier en équivalent pétrole, consommé par tonne de marchandise transportée. Il permet de transporter aussi bien des passagers que des marchandises, matières premières ou produits finis. Son développement doit permettre de multiplier par quatre environ le transport de marchandises par voie fluviale d’ici 2020. Il sera rendu possible grâce à la nouvelle liaison entre la Seine et le nord de l’Europe (canal Seine-Nord-Europe).
L’avantage majeur du transport fluvial réside dans le fait qu’un convoi fluvial équivaut à 250 camions de 20 tonnes ou à 125 wagons pour une même quantité de marchandises transportée. Certes, le transport fluvial émet deux fois plus de dioxyde de carbone et consomme environ six fois plus d’énergie par tonne de marchandises transportée et par kilomètre parcouru que le transport ferroviaire, mais il reste très compétitif par rapport aux autres modes de transport.
--- 7. a. M(H) = 1 gmol-1 ; M(C) = 12 gmol-1 ; M(O) = 16 gmol-1 ; M(Na) = 23 gmol-1 ; M(Br) = 80 gmol-1.
b. Le produit d’intérêt est C4H8 :
M(C4H8) = 4M(C) + 8M(H) = (48 + 8) = 56 gmol-1 Les réactifs :
M(C4BrH9) = 4M(C) + 9M(H) + M(Br) = (48 + 9 + 80 ) = 137 gmol-1
M(NaOC2H5) = 2M(C) + M(Na) + 5M(H) + M(O) = 24 + 23 + 5 + 16 = 68 gmol-1
Eat = 4 8
2 5 4 9
(C H )
(NaOC H ) (C BrH ) M
M M = 0,27
c. Cette synthèse n’est pas économe en atomes car Eat doit être proche de 1 pour que la synthèse soit économe.
d. Eat = 4 8
4 9
(C H ) (C H Br) M
M = 0,41
Cette synthèse est plus économe en atomes que la précédente, mais elle n’est pas économe en énergie thermique, c’est pourquoi elle n’est pas intéressante du point de vue de la chimie durable.
--- 8. a. Le solvant permet la mise en contact des réactifs.
L’éthanol, l’hexane, le cyclohexane et le dichlorométhane sont des solvants utilisés au lycée.
b. Des solides ne peuvent entrer en contact sans solvant.
c. Le chlorure de sodium ne satisfait pas au critère nécessaire à une bonne solvatation :
« mise en contact effectif des molécules réactives ». Il n’ajuste pas la viscosité du milieu réactionnel et il ne peut pas assurer le rôle de tampon thermique.
d. La vaporisation des solvants traditionnels est l’une des sources de pollution de l’air.
--- 9. 1re proposition de correction
Voyons, pour chaque procédé, quels sont :
- les principes de la chimie verte qui sont appliqués :
la synthèse au lycée est réalisée à pression atmosphérique ;
la synthèse industrielle utilise un catalyseur ; elle satisfait à l’économie d’atomes puisque la seule molécule produite hors le produit d’intérêt est H2O. Le toluène qui n’a pas réagi est recyclé. Les impuretés sont facilement éliminées car présentes dans le sous-produit.
- les principes qui ne sont pas appliqués :
la synthèse au lycée n’est pas économe en atomes, notamment elle produit de l’oxyde de manganèse MnO2 qui contient un métal « lourd », donc polluant. Elle nécessite un chauffage et n’est donc pas très économe en énergie. Elle consomme beaucoup d’eau (chauffage à reflux, rinçage) ;
la synthèse industrielle nécessite une pression de 2,5 bar.
2e proposition de correction
L’acide benzoïque est un produit utilisé dans l’industrie agroalimentaire. Il peut être synthétisé en petites quantités au laboratoire ou en plus grande quantité dans l’industrie.
L’équation de la réaction réalisée au lycée met en évidence la formation de sous-produits comme le dioxyde de manganèse. De manière moins évidente, les ions permanganate sont apportés par le sel de potassium correspondant. Puis l’acidification est réalisée par de l’acide chlorhydrique ; on forme donc aussi comme sous-produit de chlorure de potassium KCl. Par contre, la synthèse industrielle ne fait mention que d’eau comme sous-produit.
La synthèse industrielle semble donc réaliser une plus forte économie d’atomes.
Lors de la synthèse au lycée, un auxiliaire de synthèse est utilisé : de l’acide chlorhydrique.
La synthèse industrielle fait mention de l’utilisation de charbon actif, mais celui-ci est recyclé.
La synthèse au lycée utilise un chauffage à reflux (environ 100 °C puisque le solvant est l’eau) à pression atmosphérique tandis que la synthèse industrielle nécessite une température et une pression plus élevées, ce qui est coûteux d’un point de vue énergétique. Enfin, la synthèse industrielle utilise un catalyseur, ce qui n’est pas le cas de la synthèse au lycée.
Ainsi, la synthèse industrielle respecte mieux les points 1, 2, 5 et 9 des principes de la chimie verte, tandis que la synthèse au lycée respecte mieux le point 6. L’impact environnemental de la synthèse industrielle est moindre que celle au lycée.
--- 10. a. Dans le polymère, le carbone
doublement lié à l’oxygène va bien être lié par ailleurs avec 2 atomes d’oxygène.
Ci-contre un exemple avec deux motifs consécutifs du polymère.
b. Danger du phosgène (COCl2) :
à température ambiante, c'est un gaz,
volatile mais plus lourd que l'air. Son odeur de foin est relativement discrète et permet mal de détecter sa présence. En cas d'inhalation, le phosgène réagit avec l'eau contenue dans les poumons pour former de l'acide chlorhydrique qui attaque l'organisme. Selon la quantité de gaz inhalé, les conséquences peuvent aller de troubles respiratoires à l'œdème pulmonaire et à la mort.
c. Le dioxyde de carbone est un produit de transformations chimiques dont les molécules carbonées sont les réactifs, le dioxyde de carbone n’est donc pas réactif avec les molécules carbonées car cette transformation correspond à la réaction inverse de la précédente.
d. Le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre dont il faut se débarrasser, tandis que les polycarbonates possèdent de nombreuses applications dont voici certains exemples sur le site Internet de la société Novomer : http://www.novomer.com/?action=CO2_commercialization --- 11. a. Le ricin n’entre pas en compétition avec les cultures alimentaires et demande peu d’eau.
b. Pharmacie, automobile, ameublement, bâtiment.
c. Elle a une grande affinité pour les surfaces métalliques (qualités de mouillage). Son point éclair est de seulement de 229 °C, alors qu'elle ne s'enflamme qu'à 449 °C. L'huile de ricin améliore son pouvoir lubrifiant quand sa température augmente : elle polymérise rapidement lorsque cette température s'élève et donne une huile de plus en plus chargée en esters ; ces esters ne commencent à se décomposer qu'autour de 343 °C.
d. Il se forme de l’eau.
--- 12. a. Le TMDS est un sous-produit de l’industrie du silicone, son utilisation permet donc de faire du recyclage dans l’industrie chimique.
b. Le sous-produit obtenu en fin de réaction peut être valorisé (notamment pour le traitement hydrofuge des matériaux).
c. Dans le texte il est dit : « Le TMDS est facile à travailler dans des conditions proches de la stœchiométrie. »
Il faut une mole de TMDS pour réduire une mole d’amide.
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13. a. Les conditions opératoires (catalyseur, température et pression) ne sont pas mentionnées.
b. Le méthanol est utilisé essentiellement dans la production de produits chimiques et comme combustible (carburant : pile à combustible au méthanol). C’est un bon solvant.
Il est utilisé de plus en plus dans le traitement des eaux usées et dans la production du biodiesel.
Le méthanol intervient dans la production du formaldéhyde, de l’acide acétique et de toute une gamme de produits intermédiaires qui serviront à créer d’autres dérivés chimiques (estérification…). Ces dérivés sont utilisés dans un vaste éventail de produits dont le contreplaqué, les panneaux de particules, les mousses, les résines et les plastiques.
c. Méthode de Sabatier :
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
Une température et une pression élevées sont nécessaires, ce qui rend la synthèse coûteuse énergétiquement. Le catalyseur (nickel) est un métal rare et coûteux.
d. Cette synthèse du méthane nécessite de l’énergie électrique.
e. Le monoxyde de carbone permet de synthétiser des hydrocarbures autres que le méthane.
--- 14. Les documents 2, 3 et 4 permettent d’illustrer principalement les points 1 (éviter les rejets plutôt que d’avoir à les traiter), 2 (économie d’atomes), 5 (limiter les auxiliaires de synthèse) et 9 (rechercher les solutions catalytiques) du premier document.
Selon le deuxième document, l’utilisation des agroressources à fait considérablement augmenter la production d’un sous-produit, le glycérol. Des chimistes ont alors développé des synthèses de molécules tensioactives (de type étheroxyde) à partir de ce glycérol.
Historiquement, la synthèse d’étheroxydes se faisait par la synthèse de Williamson, générant des quantités stœchiométriques de sels. La méthode développée par les auteurs de l’article est une synthèse catalysée, utilisable dans l’industrie, utilisant presque tous les atomes des réactifs, et ne formant que de l’eau comme sous-produit. D’autre part, le glycérol étant à la fois le réactif et le solvant de la réaction, cette méthode limite les auxiliaires de synthèse.
Le deuxième document présente une réaction dont l’économie d’atomes est optimisée puisqu’elle ne génère aucun sous-produit : la synthèse des esters symétriques de Tishchenko se fait par dimérisation des aldéhydes. Cette réaction se fait grâce à l’utilisation de catalyseurs adaptés à base de ruthénium.
Enfin, le quatrième document montre comment le chimiste contribue à la dépollution de la nature au travers de deux exemples : la dépollution des gaz d’échappements dans les pots catalytiques et le traitement des eaux usées par une méthode photochimique.
Il est marquant de constater que l’ensemble des méthodes décrites utilisent des catalyseurs. Il semble donc qu’un des enjeux majeurs de la chimie moderne soit de développer des catalyseurs toujours plus efficaces et plus spécifiques.
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