Le 31/01/2013 Page : 1 / 3 Devoir (2h) TS1- TS4
Il sera tenu compte de la clarté de la rédaction et de la présentation.
Il est conseillé de lire intégralement le sujet avant de commencer la rédaction.
I. Du dihydrogène photosynthétisé
À l'aide des documents ci-dessus, répondre aux questions suivantes : 1) Quels sont les modes actuels de production de dihydrogène ?
2) Sachant que l'électrolyse de l'eau produit également du dioxygène, écrire l'équation de cette réaction.
3) Quels inconvénients présentent ces modes de production du dihydrogène ? Quelle solution est envisagée pour pallier ces inconvénients ?
4) Décrire le principe de la production photosynthétique du dihydrogène.
5) Écrire l'équation de la réaction de production de dihydrogène en présence d'hydrogénase.
6) Pourquoi une application industrielle de la bioproduction du dihydrogène n'est-elle pas encore envisagée ?
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Problématique :
La production de dihydrogène se fait à partir de combustibles fossiles. Plusieurs laboratoires travaillent aujourd’hui sur de nouveaux modes de production, photosynthétiques.
Quel intérêt présentent ces recherches ?
Document 1 : Production biologique du dihydrogène.
De nombreux micro-organismes produisent naturellement du dihydrogène, en utilisant le pouvoir de réduction que génère la cellule vivante pour produire une réaction extrêmement simple : deux électrons réducteurs additionnés à deux protons produisent une molécule de dihydrogène.
Une des sources d'énergie les moins coûteuses de la planète est la lumière solaire. Si la bio production de dihydrogène pouvait être efficacement couplée à un processus photosynthétique, le
dihydrogène pourrait être fabriqué avec seulement de la lumière et de l'eau. Cela peut paraître trop beau pour être réaliste, mais c'est exactement ce que font naturellement certains micro-organismes.
Les chercheurs cherchent donc à comprendre, optimiser et copier ces processus. À moyen terme, cela pourrait se traduire par la culture extensive de micro-organismes photosynthétiques
génétiquement optimisés et, sur le long terme, par la mise en œuvre de catalyseurs artificiels conçus selon des principes biomimétiques.
D'après A. W. Rutherford, Clefs CEA, n° 50-51, hiver 2004-2005.
Document 2 : Un processus dont on connaît enfin la cause.
En 1939, le chercheur allemand Hans Gaffron de l'université de Chicago, observe que l'algue verte qu'il étudie, Chlamydomonas reinhardtii, passe parfois de la production de dioxygène à la production de dihydrogène. Gaffron n'a jamais élucidé la cause de ce phénomène, et les recherches dans ce sens ont échoué pendant plusieurs années. À la fin des années 1990, le professeur Anastasios Melis, chercheur à l'université de Californie à Berkeley, découvre que si le milieu de culture de l'algue est dénué de soufre, alors celle-ci passe de la production de dioxygène
(photosynthèse classique) à la production de dihydrogène.
D'après http://savoir-du- monde.fr/Production_biologique_d%27hydrog
%C3%A8ne_par_des_algues
Document 3 : Un processus qui reste encore à améliorer.
Le problème majeur expliquant le faible développement industriel de la production photosynthétique de dihydrogène vient de la nature transitoire du phénomène en conditions naturelles. L'arrêt rapide du processus de dégagement du dihydrogène est lié au fait que l’hydrogénase, l'enzyme responsable de la production de dihydrogène, est fortement sensible au dioxygène dégagé en parallèle par la photosynthèse lors de la biophotolyse de l'eau.
D'après www.afhypac.org
II. Rouler en limitant les émissions de dioxyde de carbone
1. Construction des étapes de la résolution 1.1. Rappeler la formule générale d'un alcane.
1.2. En détaillant votre raisonnement, l'équation de la réaction de combustion complète de l'octane se produisant dans le moteur classique est : 2 C8H18 + 25 O2 16 CO2 + 18 H2O
1.3. Déterminer le réactif limitant ? Pourquoi ?
Le vaporeformage du gaz naturel est la méthode la plus courante pour produire du dihydrogène. On « casse » la molécule de méthane, qui possède quatre atomes d'hydrogène, avec de la vapeur d'eau à 900 °C, produisant ainsi du dihydrogène et du dioxyde de carbone.
1.4. Donner la formule brute du méthane.
1.5. Écrire l'équation correspondant à la réaction de vaporeformage.
2. Mise en œuvre des étapes de la résolution
De nombreux constructeurs automobiles développent actuellement des véhicules à pile à combustible (Fig. 3). Ainsi Mercedes réalise des essais avec sa « Classe B », qui affiche une consommation de 1,14 kg de dihydrogène aux 100 km, contre 6,5 L d'essence aux 100 km pour une voiture à motorisation classique.
Données : Masse volumique de l'octane : = 810 g.L-1 ;
à 20 °C et sous pression atmosphérique, le volume occupé par une mole de gaz est M=24 L.
Masse molaire atomique : MH = 1,00 g/mol ; MC = 12,0 g/mol.
2.1. En considérant que l'essence est constituée uniquement d'octane, quelle quantité de matière d'octane est consommée au bout de 100 km par une voiture à motorisation classique ?
2.2. En utilisant l'équation de la question 1.2., calculer l'avancement maximal xmax de la réaction de combustion de l'octane. On pourra s’aider du tableau d’avancement page 3.
2.3. Quel volume de dioxyde de carbone a été produit par une voiture de motorisation classique au bout de 100 km ?
2.4. Quelle quantité de matière de dihydrogène est consommée au bout de 100 km par une Mercedes Classe B équipée d'une pile à combustible ?
2.5. En considérant que le dihydrogène de cette voiture est entièrement produit par vaporeformage du méthane, et en utilisant l'équation établie à la question 5, calculer la quantité de matière, puis le volume de dioxyde de carbone produit au bout de 100 km.
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Question scientifique à résoudre
Comment comparer les bilans en dioxyde de carbone formé par un véhicule classique et un autre véhicule fonctionnant avec une pile à combustible ?
Situation problème
Le transport est devenu l'une des premières sources de pollution. Parmi les problèmes environnementaux posés, on peut citer la production de gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone, qui n'a pas de toxicité directe mais qui est partiellement responsable du réchauffement climatique à l'échelle planétaire. Ce réchauffement laisse craindre, à moyen terme, une catastrophe écologique de très grande ampleur. L'utilisation de véhicules fonctionnant avec une pile à combustible consommant du dihydrogène constitue donc une alternative intéressante (Fig. 1).
Analyse du problème
La plupart des voitures actuelles consomment de l'essence. Celle-ci est principalement constituée d'octane, alcane liquide de formule C8H18. La réaction de combustion de l'octane se déroule dans le moteur. Si celui-ci est correctement réglé, la combustion avec le dioxygène de l'air produit du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau. Avec une voiture possédant une pile à combustible, le seul rejet est de l'eau.
Le dihydrogène n'existant pas à l'état naturel sur Terre, utiliser ce gaz comme carburant implique donc de le produire. Actuellement, 96 % de la production de dihydrogène est réalisée à partir de carburants fossiles (gaz naturel, pétrole, charbon, Fig. 2) et cette production libère du CO2.
2.6. Du véhicule à essence ou de celui fonctionnant au dihydrogène, lequel produit finalement le moins de dioxyde de carbone ?
3. Regard critique sur la résolution
Les énergies fossiles tendant à disparaître, on essaie de développer des alternatives au moteur à essence, qui doivent être économiquement viables et peu polluantes. Dans les années à venir, la production de dihydrogène devrait donc se développer. Pour ce faire, les industriels se tournent vers l'électrolyse.
Actuellement, en France, la majeure partie de l'énergie électrique est fournie par les centrales nucléaires mais, à terme, on pourrait utiliser l'énergie solaire, hydraulique ou éolienne pour réaliser ces électrolyses (Fig. 4).
3.1. Pourquoi devrait-on essayer de se passer de l'énergie électrique issue du nucléaire pour réaliser les
électrolyses ?
3.2. D'après la figure 4, quel est l'avantage de produire du dihydrogène avec des carburants fossiles ? Quel est l'avantage des énergies renouvelables ?
4. Pour conclure
4.1. Selon vous, peut-on espérer voir baisser de façon sensible la production de dioxyde de carbone si la
fabrication de véhicules fonctionnant avec une pile à combustible est réalisée à grande échelle ? Argumenter.
équation-bilan Etat initial x = 0
en cours x
Etat final x = xmax
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Points de repère :
La plupart des piles à combustible fonctionnent avec du dihydrogène.
Actuellement, la production de dihydrogène est presque entièrement réalisée à partir d'énergies fossiles.
La production par électrolyse devrait se développer dans les années futures. À terme, d'autres sources d'énergie (énergie éolienne, hydraulique ou solaire) devraient prendre le relais du nucléaire pour alimenter cette électrolyse.
