Polluants chimiques quizz ia PDF

Polluants chimiques : Prof : bureau Batiment J au premier étage Pol2024 : CELENE CC (20%) → travail perso sur sur les gaz à effet de serre (semaine du 25 nov). → présentations, propriétés chimiques, évolutions, sources / → aspects liés à l’industrie (notamment le problème de la chaleur industriel...

Polluants chimiques : Prof : bureau Batiment J au premier étage Pol2024 : CELENE CC (20%) → travail perso sur sur les gaz à effet de serre (semaine du 25 nov). → présentations, propriétés chimiques, évolutions, sources / → aspects liés à l’industrie (notamment le problème de la chaleur industrielle) / → méthodes utilisables, envisageables. (cf comparaison au potentiel global de réchauffement); CC (30%) → Question de cours / QCM (29 novembre). CC (50% : exercices / travail sur doc (6 décembre). Chapitre 1 : Pollution chimique industrielle et polluants chimique (généralités) : A. Pollution industrielle : A1. Historique : Fin du 18ème - 19ème : → utilisation du charbon et la houille, → alimentant notamment les industries du verre, des tuiles et la chaux, → début aussi de la sidérurgie et de l’industrie textile. => une pollution bien visible en particulier dans les bassins miniers et les villes (fameux épisodes des smogs londoniens). *(à ne pas confondre avec smogs photochimiques, ici ils sont essentiellement liés à la libération de grosses particules (suie, lié à la combustion de charbon, dans lesquelle on trouve aussi des oxydes de souffre (toujours du soufre dans combustible fossile). Début du 20ème : → remplacement progressif de la houille par l’électricité, → mais début de la pétrochimie et de la chimie de synthèse. => une pollution plus globale et plus diversifiée liée à un accroissement rapide de la démographie et de la consommation (- population mondiale : → x4 - consommation d’énergie : → x9 - production industrielle : → x40). A partir des années 1970-80 : → début de la prise de conscience de la responsabilité anthropique, → dans l’ordre : pluies acides, trou d’ozone, gaz à effet de serre, eutrophisation… cf smogs londoniens / USA par exemple → ça a donné des directives lié à la prise de conscience. A2. Origines de la pollution industrielle : Production continue : → lors des étapes de production ou du traitement des déchets industriels, → lors du transport et de l’utilisation du produit final. Catastrophes industrielles (Risque industriel majeur) : → dysfonctionnement particulier lors de la production ou du transport. → catastrophes Seveso (1976) et AZF (2001) : => directive européenne Seveso (1982) et loi « Risques » (2003). → Classement des accidents industriels en 3 catégories : → Les effets thermiques (incendie / explosion), → Les effets de surpression (souffle lors d’une explosion), → Les effets de toxicité. Tout cela conduit d’un point de vue industriel à des régulations strictes en amont pour prévenir ces dangers. On retrouve aussi des déversements liés à des industries notamment métallurgiques comme par exemple avec l'extraction de l’or dans le Danube. Il y en a évidemment une diversité importante de pollutions. A3. Évolution et défis de la pollution industrielle : Sources de pollution : → Dispersées (transports, agriculture, BTP …), → Ponctuelles (usines chimiques, métallurgique, centrales électriques). Ces sources ponctuelles permettent une meilleure évaluation du fait de points d’émissions bien localisés. En Europe, l’industrie est responsable de plus de la moitié des émissions totales de certains polluants atmosphériques et GES, mais aussi de rejets dans l’eau et le sol. Des efforts ont été faits ayant des résultats importants : *composé volatile non méthanisé = NMVOC. A4- Les secteurs industriels les plus polluants : Production d’énergie / raffineries : → sources => combustion charbon, pétrole, gaz naturel. → impacts => émissions CO2, NOx, SO2, HC, particules fines. Industrie chimique : → sources => production de produits chimiques, plastiques, engrais et pesticides. → impacts => émissions COV, CO2.., pollutions des eaux et du sol, déchets toxiques. Industrie métallurgique : → sources => extraction, élaboration, transformation des métaux impact => émissions CO2, poussières, pollutions des eaux et du sol par les métaux lourds. Industrie du ciment : → sources => fabrication du ciment. → impacts => émissions CO2. mais aussi : industrie agroalimentaire, industrie textile, industrie du bâtiment,.. *Pourquoi on ne peut pas par moment remplacer certains procédés ? Ce n’est pas forcément adapté en termes de puissance et les sites industriels sont des sites anciens et on ne change par ces grosses infrastructures du jour au lendemain. La pollution industrielle est liée : → D’une part aux besoins énergétiques (production de chaleur / fonctionnement des machines) → pollution générée par la combustion des combustibles fossiles essentiellement. → D’autre part aux émissions propres au procédé -> très variable d’une industrie à une autre. A4. Réduire la pollution industrielle : Des actions préventives et curatives : → Pré-traitement de la matière première, → Optimisation des procédés, → Dépollution des rejets (dégradation/destruction des polluants ou transfert), → Captage, valorisation, stockage, recyclage. En corrélation avec : → L’analyse du cycle de vie (ACV), → La réglementation en vigueur (directive IED, REACH (règlement européen entré en vigueur en 2007 pour sécuriser la fabrication et l’utilisation des substances chimiques dans l’industrie européenne), l’obligation des bilans carbone...), → Les coûts d’investissement et de fonctionnement. Exemples d’actions préventives possibles : 2 actions mises en place depuis longtemps particulièrement pour la réduction de Dépoussiérage : → Elimination de particules des fumées, → Précipitateur électrostatique ou électrofiltre. Tour de lavage => traitement de l'air ou d'un gaz par voie humide Malheureusement, cela n’élimine que les grosses particules (jusqu'à PM10). Le problème c'est que la plupart des composés toxiques (métaux lourds, HAP,...) vont s'adsorber sur les petites particules. A6. Pollution industrielle au niveau européen : ICPE : → Installations classées pour la protection de l’environnement (vise à prévenir et réduire les pollutions émises par les installations industrielles et agricoles au niveau européen (rejets dans l'eau, l'air et le sol)) Directive IED : → (n° 2010/75/UE du 24/11/10 ) relative aux émissions industrielles pour prévenir et réduire les émissions de polluants des activités industrielles notamment via la mise en œuvre des Meilleures Techniques Disponibles (MTD). BREFs : → documents de références techniques à l’échelle européenne détaillant les MTD Meilleures Techniques Disponibles. B. Polluants chimiques : B1- Définition et classifications : Un polluant est une substance présente à un taux suffisamment élevé pour avoir des effets, directs ou indirects, néfastes pour l’homme et/ou pour l’environnement. → Espèces toxiques, → Espèces non toxiques mais dont la concentration anormalement élevée perturbe les écosystèmes. Nombreuses classifications possibles …: En fonction de la source -naturelles / anthropiques), En fonction du milieu (air / eau / sol), En fonction des voies de contaminations (par inhalation / ingestion / contact), En fonction de leur impact sur l’environnement, … B2- Puits et de sources : En chimie de l'environnement, les termes source et puits sont utilisés pour décrire des processus qui influencent la concentration de substances dans l'environnement. * Source : processus ou emplacement à partir duquel une substance est émise dans l’environnement. Puits : processus ou emplacement qui absorbe ou élimine une substance de l'environnement, réduisant ainsi sa concentration → sont soit d’origine naturelle ou anthropique. B3 – Polluants primaires et secondaires : On peut penser que les concentrations en polluants primaires, sont importantes au niveau de la source, et que plus on s'éloigne on augmente la concentration en polluants secondaires et diminution des polluants primaires, mais ces courbes ne sont pas toujours vérifiées. B4- Les échelles spatiale et temporelle de la pollution : *certains comme le dioxyde de soufre peut être situé dans une plusieurs échelles (locale, régionale) si par exemple on a un chauffage au gaz près de chez nous et une usine à 50km. Ressenti totalement différent aussi pour échelle régionale et globale : B5- Dispersion d’un polluant dans l’environnement : Dispersion (mobilité) d’un polluant : Tendance à se propager dans l’environnement depuis sa source : → dépend du milieu, → du type d’émission, → des propriétés physico-chimiques du polluant (- pression de vapeur, - température de changement d’état - solubilité dans l’eau - constante de partage - tension superficielle), → de la réactivité chimique ou biologique. Persistance d’un polluant : Propriété à pouvoir rester dans l’environnement avant d’être dégradé : durée de vie ←→ persistance ←→ stabilité. Temps de demi-vie t1/2: Temps au bout duquel la concentration a été divisée par deux (Ct1/2 = C0/2). On utilise aussi le temps de séjour ou le temps de résidence t tel que Ct = C0/e = C0/2,7) B6- Persistance d’un polluant dans l’environnement : Espèces inorganiques : → fonction de l’état d’oxydation par rapport au milieu → métaux : changement de DO / spéciation => conservatifs ou persistants / pas de dégradation biologique. Espèces organiques : → dégradation irréversible en d’autres composés. → par voie chimique : - hydrolyse, - oxydation, - photolyse - … → par voie biologique -> très grande variabilité des durées de vie -> fonction des forces de liaisons (stabilité des molécules dans un milieu données) et des propriétés physico-chimiques. Chapitre 2 : Chimie de l'atmosphère 1. L'atmosphère terrestre : → intérêt pour la mésosphère et stratosphère. schéma diapo Absorption des UV notamment lointains qui vont exciter les molécules d’ozone et du dioxygène dans la zone, qui vont se désexcités en émettant de la chaleur. 2. Mixage et transport des gaz et des particules : cf schéma diapo mixage du à la convection → gaz chauds s’élèvent et redescendent ensuite en se refroidissant en atteignant la couche. Dans la stratosphère : → Réactivité essentiellement liée à O3 en équilibre avec O2 (système stationnaire → cycle de Chapman). → Absorpion des UV → élevation T°. → P faible. ……………………………………… 3. Temps de demi-vie des espèces dans l'atmosphère : ………………………………… *cf notion de dégénérescence des ordre de demi-vie. X + HO° → produits [HO°] = constante. v = - d[X] / dt = k (constante de vitesse) x [HO°] x [X] ~= k x [HO°] x [X] avec k x [HO°] = kapp. échelle spatio-temporelle : schéma 4. Unités de concentrations atmosphériques : Pour la phase gazeuse, on utilise 4 types d’unités : ……………………………………….. → La fraction volumique / v : → ppm/v ……………. → Avantages : fraction volumique = fraction molaire xi indépendante de P et T (à partir de PV=nRT). cf PVi = niRT et PVair =nairRT combinées pour donner Vi/Vair = ni/nair. → Inconvénients : → Le nombre de molécules par m3 ou par cm3 (ou concentration moléculaire) → utilisée en cinétique. formule cf diapo → Avantages : → Inconvénients : → La concentration massique (le plus souvent en µg/m3) : → utilisée en contrôle de la qualité → Avantages : → Inconvénients : dans les inconvénients (pour le deuxième tiret : on est obligé de repasser par la concentration moléculaire pour pouvoir les comparer). → La pression partielle (le plus souvent en nbar) : → utilisée en physique de l'atmosphère. → Avantages : → Inconvénients : 5. Devenir des polluants atmosphériques : Schéma Composés primaires émis, pouvant êytre transformés en composés secondaires, vont pouvoir se déposer (dépôts secs (sous l’effet de la pesanteur) ou dépôts humides (lié au cycle de l’eau)). schéma 6. Elements de chimie atmosphérique : → Réactions chimiques ou photochimiques (=> réactivité plus importantes de jour). → En phase gazeuse homogène, multiphasique (g/s ; g/l ; l/s) ou en phase aqueuse. → Constituants très dilués das une matrice riche en oxygène. → Atmosphère oxydate (gouvernée pare l’oxygène à notre époque) - évolution vers les formes les plus oxydées (stables thermodynamiquement). - réactions sur O2 infiniment lentes : - intervention d’intermédiaires de réaction très réactifs (radicaux). - eux-mêmes formés grâce à l’E. solaire. schéma : → capacité oxydante de l'atmosphère ou capacité d’épuration de l’atmosphère. → forme la plus oxydée qui vont être assimilés dans les plantes, dans la biosphère. bilan (globalement ce qui va passer mais cela ne reflète pas réellement la rencontre entre ces molécules) : Ces processus globalement permettent d’épurer l'atmosphère. Processus généraux d’oxydation : La formation des radicaux est à la base de la chimie atmosphérique. Par exemple, le radical OH° peut induire l’arrachement d’un atome H d’un hydrocarbure RH : RH + HO° → H2O + R°. Ce radical R° formé peut à son tour réagir sur O2 pour conduire à un état plus oxydé, par exemple : R° + O2 → ROO°, processus qui se poursuit jusqu’à l’oxydation totale en CO2. → réaction en chaîne. Radical = on retrouve un électron solitaire, célibataire. → Les radicaux ont ainsi un rôle de catalyseur et sont régénérés au cours de cycles catalytiques plus ou moins complexes. Cela passe par des mécanismes des réactions en chaîne que sont : l’initiation (formation des espèces radicalaires), la propagation (réactions en chaîne, en boucle), la terminaison (de temps en temps) (disparition des radicaux). → Les catalyseurs sont introduits en petite quantité, n’interviennent pas dans le bilan, sont régénérés après réaction, accélèrent les réactions. → bilan de l’exemple donné sas le catalyseur dans la réaction : CO + O2 + NO → CO2 + NO Réactions photochimiques : Réactions induites par un photon h mu : équation L'infrarouge n’étant pas suffisamment énergétique n'intervient pas dans les réactions chimiques. Les molécules peuvent seulement être déformées mais ne vont pas se transformer. Elles peuvent les absorber comme le CO2. Plus la longueur d’onde est petite, plus l’E. est importante. La première étape est un photo-activation (absorption) : excitation de la molécule qui permet de faire passer un électron d’un niveau d’énergie à un autre. → Évolution de l’espèce activée (excitée) : Une fois que le système est excité, il va pouvoir évoluer différemment. On peut avoir une émission radiative, un émission non radiative, une ionisation, un transfert d’énergie ou bien conduire à des réactions chimiques (en particulier l’isomérisation qui nous intéresse). : schéma : * = excité. La photolyse ou photodissociation : Pour que cela se fasse, il faut que l’espèce soit photo-activer et que la longueur d’onde fournie et compatible avec l’énergie de liaison. formule : Exercice : calculer la longueur d’onde minimale de la photodissociation de O2. h = constante de Planck = 6,62 x 10^-34 J.s-1. et c = 3 x 10^8 m.s-1. E = h mu = h x c / lambda ⇔ lambda = h x c / E = 240nm. La photoionisation : 10x plus importante que les énergies de liaison, aura lieu dans la ionosphère. Il n’y en aura pas au niveau de la troposphère auquel on s'intéresse. Dans la troposphère, la principale formation de notre radical OH° (principal radical) provient de : → la photolyse de l’ozone troposphérique. → suivi de la photolyse d’une molécule d’eau. cf équations et bilan : (attention la majorité des atomes O* vont simplement revenir à un état désexcité). HO° espèce ciblé de la chimie troposphérique : - espèce la plusréactive de la troposphère. - temps de vie de l’ordre 1s. - détermine la durée de vie de la plupart des polluants de la troposphère (principal puit (élimination) pour CH4 ou CO). - sa concentration définit la capacité la capacité ……………………………………… Particularité du milieu atmosphérique : → concentration de polluants extrêmement faibles dans une atmosphère riches en O2. → certaines réactions sur O2 impossibles en raison des vitesses de réaction trop lentes. exemple : → bien que lentes, les réactions des radicaux sur O2 sont souvent majoritaires. Ainsi les concentrations des espèces sont fonction des vitesses de réaction. exemple : Puits des radicaux : → puits de HO° → formation d’une espèce très stable thermodynamiquement / → voie d’élimination définitive de HO°. → puits de HO2° → formation d’une espèce soluble éliminée par les précipitations. → puits de RO2° → également éliminée par les précipitations. Ce sont des réactions de recombinaisons de radicaux. Cycle des radicaux : schéma Chapitre 3 : Polluants atmosphériques : 1. Principaux polluants atmosphérique s: On retrouve parmi les polluants réglementés, les polluants les plus courants : le monoxyde de carbone, les oxydes d’azote (nox), dioxyde de soufre, l’ozone, les particules en suspension (mélanges de composés chimiques appelés pm), les composés organique volatils non méthaniques (benzène), les HAP, les métaux lourds. cf tableau des normes de qualité de l’air : On retrouve d’autres polluants surveillés : le sulfure d’hydrogène, l'ammoniac, ainsi que les GES (méthane, dioxyde de carbone, protoxyde d'azote,...) Il existe différentes classifications par famille en fonction de leurs conséquences notamment sur l’environnement : cf doc classification : et tableau : (pas d’O3 dedans car c’est un polluant secondaire, non émis) *AEPP : Acidification/Eutrophisation/Pollution-Photochimique CO → pour combustion incomplète (sans oxygène) d’un combustible contenant du carbone NOx : NO + NO2 → ce sont des radicaux (nb de valence impair), NO2 est caractéristique par sa couleur (gaz roux), lié au combustion à très haute T°. SO2 → lié aux volcans et d’une façon générale lié à des combustions de composés faut de source (combustibles fossiles → molécules organiques soufrées). En détail : 1.a. Le monoxyde de carbone : C’est un gaz incolore, inodore, très peu soluble dans l’eau, peu réactif (tho = 40 jours). Les principales sources sont les combustions incomplètes / oxydations photochimiques des COV (composés organiques volatils). Les principaux puits sont l’action de HO° (qui initie la réaction CO + 2O2 → CO2 + O3), et l'action par processus biotiques (bactéries du sol). Il est asphyxiant. Ila quelques effets sur l’environnement : formation de CO2 → effet de serre, formation de O3 troposphérique. 1.b. Les oxydes d’azotes : NO est un gaz incolore, réactif, avec un tho de quelques minutes. NO2 est un gaz roux, odorant, réactif avec un tho de quelques heures, réaction sur l’eau → HNO3. Les principales souyrces sont les combustions dans l’air à haute T° (N2 + O2 → 2NO) (réaction lente donc T° très haute) → NO + petites quantités de NO2. Les principaux puits sont la formation d’acide nitrique (oxydation) retrouvé dans les gouttes d’eau, va retomber sur le sol et va conduire au lessivage. ………………………………… (effet sur l’environnement). Ils sont toxiques pour les voies respiratoires. nb : NO3 - = ion nitrate / NO3 = radical nitrate. NOy = NOx + NOz. cf réactions : *PAN : un des nitrates organiques importants En milieu urbain avec beaucoup de circulations, on retrouve davantage de NOx. En milieu rural, on retrouvera davantage de NOz. 1.c. Le dioxyde de soufre : C’est un gaz dense, incolore, ayant une odeur piquante, incombustible, bien soluble dans l’eau (tho de quelques jours). Les principales sources sont lié aux volcans et d’une façon générale lié à des combustions de composés faut de source (combustibles fossiles → molécules organiques soufrées). Les principaux puits sont les dépôts secs et humides (après oxydation en sulfate (SO2 en SO42-)). IL est irritant pour les voies respiratoires (aux concentrations atmosphériques). Pour ces effets sur l’environnement, il permet la transformation en acide sulfurique donnant des pluies acides et smogs acides. 1.d. L’ozone : 90% se trouvent dans la stratosphère, avec des bons effets pour nous. Pour le reste, c’est un gaz incolore toxique, ayant une odeur âcre, c’est un oxydant très puissant (2,1 V (juste derrière le fluor avec 2,7 V) (tho de quelques heures à quelques jours). La principale source (stratosphère) est le polluant secondaire formé à partir de NO2 + COV. Les principaux puits sont le retour sous forme de O2 via réactions photo-catalysés, …………………………………………………………. Contribue à 7% de l’effet de serre. cf plantes et indicateurs ozone (nique les chlorophylles) 1.e. Les particules en suspension (PM = Particule Matter) : On retrouve les PM1 < 1 µm (ultrafines), les PM2,5 < 2,5 µm (fines), les PM10 < 10 µm (grosses), les PM > 10 µm (grossières). Les PM2,5 et PM10 sont surveillés. Ce sont des aérosols (dispersion d’un solide ou d’un liquide dans l’air). Ils sont formés à partir d’un noyau solide (sel, sable, poussière, suie,...) ou liquide (brouillard, nuage). Les principaux puits sont les dépôts secs et humides ………………………………………………………………………………………….. réduction de la visibilité jusqu’à 30%, effet variable sur l'environnement (dépend des particules : celles réversives ont un effet refroidissant, les particules de carbone suie ont elles particulièrement un effet réchauffant. 1.f. COVNM : Les principales sources sont naturelles (végétation) et anthropiques (carburants, solvants, peintures,...). Ils vont dispariatre (puits) par des dégradations (oxydations) radicalaires. Ils sont des effets multiples par inhalation ou contact aveec la peau. ils ont des effets sur l’environnement car ils sont les précurseurs de l’ozone troposphérique. 1.g. Dioxyde de carbone et méthane : 2 gaz en très forte augmentation qui justifie leur classement parmi les polluants. Ils ne sont pas surveillés pour leur impact sur la qualité de l’air mais sur leurs effets sur le réchauffement et effet de serre. …………………………………………………. 1.h. ………………………………………………………….. 2. Pollution photochimique : On parle aussi de pollution à l’ozone. Ce sont des smogs ayant lieu dans des périodes chaudes. Premiers smogs observés en 1940 à Los Angeles. cf schéma Il faut comprendre le cycle photostationnaire des oxydes d’azote : Cas où on a pas de COV : L’ozone va être formé à partir de la photolyse de NO2 (NO2 → NO + O). Cet oxygène va réagir sur O2 pour former O3. Cela se fait à des longueurs d’ondes d’au minimum 420 nm (limite UV visible). Ce O3 est constamment en même temps détruit par la réaction inverse (NO + NO3 → NO2 + O2). Ainsi on arrive à une équation globale : NO2 + O2 → NO + O2. On retrouve une alternance jour/nuit où il y a production/consommation de l’ozone. Au final, à l’équilibre photostationnaire, toutes les vitesses de réaction sont égales. On peut dire qu’il y a égalité entre ordre partiel et ordre secondaire. Ainsi [O3] dépend du rapport : k1[NO2] / k3[NO]. Cas où on a des COV : Il va y avoir perturbation du cycle : formation d’espèces radicalaires qui oxydant NO en NO2. O3 est moins consommé. Ici on consomme le NO qui ne peut plus réagir sur le NO2 qui pourra lui-même se photolyser encore derrière en NO et O. La vitesse de formation est > à la vitesse de consommation. Cycle journalier : cf graphique : décalage du pic de l’ozone. Toutes les courbes sont liées ici. → cf réactions détaillées. Influence du rapport [COV]/[NOx] : On retrouve deux régimes chimiques : → régime “Bas Nox” où les concentrations de NO2 sont faibles par rapport aux concentrations de COV (par exemple, zone rurale) : la formation d’ozone est limitée par les NOx, donc une réduction des émissions de NOx mène à une réduction d’ozone. v = k [NOx] x [COV] ~= Kapp x [NOx] → régime ‘Haut NOx” où les concentrations de NO2 sont élevées par rapport aux concentrations de COV (par exemple, zone urbaine) : la formation d’ozone est limitée par les COV, donc une réduction des émissions de COV mène à une réduction d’ozone et une réduction des émissions de NOx peut mener à une augmentation d’ozone. (1) Formation de O3 : réaction NOx + COV → production de NO2 → production de O3. - régime “haut NOx” → vitesse limitée par les COV. - régime “bas NOx” → vitesse limitée par [NOx]. (2) Consommation de O3 : par rédaction sur les NOx → réaction rapide. Etre en capacité de lire les courbes d’isodensités. 3. Ozone stratospéhrique et le trou de la couche d’ozone : Il n'y a pas d'échanges entre l’ozone stratosphérique (90%) et l’ozone troposphérique (10%). L’ozone est la seule molécule à pouvoir filtrer les UV. Réactivité de la stratosphère : → essentiellement lié à l’ozone. → régulée par le Cycle de Chapman (équilibre photostationnaire : création d’un concentration puis cycle avec autant de formation et disparition d’ozone, concentration donc constante). cf diapo réactions : Quand on fait la photolyse du O2, il y a une grosse libération dE. libérée à d’autres molécules. Simultanément, il va y avoir un surplus de chaleur qui est une autre façon d’évacuer l’E. Même chose dans l’autre sens lorsque l’on transforme l’O3 en O2 et O activés. De temps en temps on retrouve la réaction 4. On voit que globalement les réactions 2 et 3 s’annulent → bilan nul caractéristique de ce cycle photostationnaire. Du point de vue de la T°, elle décroît dans la troposphère jusqu'à la tropopause. On observe une inversion de la T° dans la stratosphère directement corrélée à la formation de l’ozone. La couche d'ozone est la zone où on en retrouve le plus. (10ppm). Elle se forme au milieu de la stratosphère car si on est en dessous, on a plus suffisamment d’UV qui ont été filtrés, ou si on se trouve au-dessus, on en retrouve plus assez d’O2 pour la réaction lorsqu'on monte en altitude. C’est le cycle naturel, qui va être perturbé par des molécules dont les CFC qui vont avoir de stress longues durées de vie et être capable de générer des radicaux notamment Cl°. Comment ce cycle est pertubé ? Grâce à un effet catalytique de ces radicaux Cl° à partir de Cl2, CH3Cl. Tout n’est pas d’origine anthropique mais c’est toujours une histoire d’excès anthropique. Ils ont favorisé la destruction de l’ozone en initiant donc un processus catalytique. De façon simpliste, l’O3 réagit avec O pour donner 2O2. Processus catalytique de destruction de la couche d’ozone : Si l’on fait la différence entre les deux niveaux d’E. on retrouve une réaction exothermique, en formant des composés plus stables. Par contre, pour pouvoir effectuer cette réaction, il va falloir passer la barrière énergétique. Le processus catalytique permet d'accélérer ce passage. Ces composés sont essentiellement les chlorofluorocarbures (CFC, HCFC (totalement halogénés (car dès l’instant on a une liaison CH, la durée de vie est bcp plus courte, ne peuvent pas atteindre la stratosphère)). On traduit celà par le Potentiel de destruction de l’ozone (ODP). On a remplacé les CFC puis par les HFC par les PFC (perfluorocarbures (n’on que des atomes de fluor et pas d’atomes d’H) mais on se heurte au problème de GES. Les composés avec du Brome aussi ont des effets négatifs en termes d'impact sur l’ozone.. (cf tableau) On retrouve un vortex polaire froid et isolé allant de la stratosphère à la troposphère en hiver qui va accumuler ces substances. Au moment du printemps austral (septembre), l’apparition (essentiel pour ces cycles) de la lumière va permettre les réactions photochimiques entre ces molécules et l’ozone. Ce “trou” dans la couche d’ozone se referme d’années en années ce qui est positif. 4. Pluies acides : Une eau de pluie est naturellement légèrement acide du fait de la dissolution de CO2. → pH d’une eau pure en équilibre avec une atmosphère de CO2 : cf diapo pour les réactions et calculs A partir de notre constante d’équilibre, si l’on considère une teneur en CO2 égale à 415 ppm dans l’atmosphère (à 1 atm ~= 1bar) : on peut en déduire la concentration en CO2 atmosphérique. Le CO2 va réagir avec l’eau pour donner de l’acide carbonique. On considère une pluie en tant qu’acide si elle a un pH inférieur à 5. nb : Le soufre émis sous forme de dioxyde de soufre (SO2) en tant que polluant primaire va conduire à l’acide sulfurique (H2SO4) qui est l’acide principal lié aux pluies acides (83% de contribution). On retrouve aussi les NOx (NO, NO2) qui vont permettre la création d’acide nitrique (HNO3) (12% de contribution). Enfin, à moindre mesure, l’acide chlorhydrique joue aussi un rôle (5% de contribution). → effet sur les écosystèmes et sur les matériaux (corrosion de manière générale accentuée en milieu acide et dégradation des calcaires en milieu acide). + cf schéma SO2 : presque la même chose que le CO2 mais avec des valeurs de pKa ne pas du tout les mêmes. C’est un gaz acide bien soluble dans l’eau. On forme via la dissolution dans l’eau de l’acide sulfureux qui ensuite sera oxydé en acide sulfurique. cf réactions diapo Mais l’acidité finale est liée à l’oxydation en acide sulfurique soit en phase gaz soit en phase aqueuse. cf différence en phase gazeuse et aqueuse. On observe une évolution des teneurs en SO2 corrélée avec les autres courbes et on remarque une diminution liée aux efforts mis en place. 5. Réduction des polluants atmosphériques : Les principales méthodes de dépollution à l’émission : Elimination des particules via utilisation d'électrofiltre. Elimination des molécules gazeuses polluantes via l'absorption, l’adsorption, ou l’oxydation et la réduction. Le choix des techniques dépend de la nature du polluant émis, desa concentration effluent gazeux,.............. → L’absorption : Absorption d’un gaz par un liquide sélectif absorbant, dont l'efficacité est maximale pour le polluant à traiter et inerte pour les autres gaz. Vitesse d’absorption augmente si la P augmente et diminue si la T diminue → processus réversible en diminuant P et augmentant T. → L’adsorption : C’est le dépôt d’un gaz à la surface d’un soldi ou éventuellement d’un liquide, en fonction de la surface spécifique. On retrouve des procédés de physisorption qui ne mettront en jeu que des liaisons faibles et réversibles (interaction dipole dipole, liaison de VAn der Waals, liaison Hydrogènes), réalisés avec des adsorbants poreux (charbon actif, alumine, zéolithes,...). On retrouve deuxièmement, des procédés par chimisorption avec formation d’une liaison chimiques fortes et irréversibles (liaisons covalentes, métalliques, ioniques). → L'oxydation et la réduction : Transformation d’un polluant en un autre par oxydation ou réduction (thermique en phase sèche avec des réducteurs solides/gazeux ou en phase liquide/gazeux avec des procédés catalytiques). On peut soit réaliser une transformation en un procédé valorisable ou un composé non toxique. 6. Quelques action spécifiques : Actions pour diminuer l’ozone atmosphérique : - Réduction des COV et des NOx des véhicules thermiques essence → pots catalytiques à 3 voies. Ces réactions sont très opposées vis-à-vis du besoin en oxygène. On a une valeur optimale à vérifier pour maintenir un équilibre des réactions. (sonde de lambda). On a dû aussi réduire les souffres qui se déposaient sur les pots catalytiques. - Réduction des COv et des NOx des véhicules thermiques diesels → pots catalytiques à 2 voies + système de réduction des NOx (AdBlue). - Réduction des NOx émis par les centrales électriques : - contrôle de la combustion par étapes(on peut jouer sur la concentration de N2 et O2 et sur les hautes T° demandés pour la formation de NOx). - …………………  - ………………… Actions pour diminuer les émissions de SO2 : - Utilisations de combustibles à basses teneurs en soufre (BTS). - Diminution du taux de soufre du combustible avant son utilisation. - Suppression des émissions de S02 durant la combustion. - Elimination du SO2 dans le rejet gazeux après la combustion : - captage du SO2 par absorption → sous-produit pour la synthèse de l’acide sulfurique. - réaction sur la chaux Ca(OH)2 et oxydation → CaSO4 (gypse). - réaction sur NH3 → NH4SO4 (--> engrais). Outre la loi qui limite, on trouve aussi des voies de valorisation. COURS HYDROGÈNE : …………………………….;demander début du cours aux filles Association de l’atome d’H aux autres élements : → avec une électronégativité de 2,2, il peut se combiner : - aux métaux très explosifs pour donner des hydrures ioniques. → → ……………………………. Hydrures ioniques : Formation d’hydrures ioniques avec les élements très electropositifs des groupe 1 (alcalins) et 2 (alcalino-terreux) : ……………………. Composés covalents ou iono-covalents : avce les non-metaux du groupe p → composéss moléculaires : - covalents : BH3, CH4, SiH4, PH3. - - iono-covaments : H2O, …………………………. Hydrures métalliques : Avec les métaux de transition essentiellement, on forme des solutions solides par absorption / insertion de l’hydrogène sous sa forme atomique dans le réseau d’un métal ou d’un alliage métallique. On forme des hydrures métalliques. cf schéma. ce ne sont pas des composés stoechiométriques avec une “vraie” liaison précise. (Ils sont étudiés récemment avec des liaisons par exemple entre Ti et H (liaison iono-covalentes avec H-) avec des électrons libres qui circulent. Conservent des propriétés métalliques et insèrent des atomes d’H. Ces réactions sont réversibles pour former du dihydrogène). On les utilise pour le stockage du H2, ou comme agents réducteurs ou batterie NiMH = Nickel Metal Hydrure (pour le côté réducteur de l’hydrure) (passage des électrons dans la batterie). Intérêts industriels : → raffinage de pétrole (hydrogénation, craquage). → synthèse de l'ammoniac → synthèse en méthanol + dans les transports (moteur à combustion d’H. (gazeux sous pression) et véhicules à H en développement (FCEV = Full Cell Electric Vehicle) + stockage de l'énergie (électrolyse, PAC). + industries commencent à s’équiper d’alimentation en H pour produire de la chaleur et de l’E. pour leur activité (en développement). Modes de production industriels : cf schéma : la plupart de l’H. produit provient à 95% d’énergies fossiles…pas très propre tout ça. A côté de ça, la méthode d'électrolyse de l’eau (une des seules lorsque l’on parle d’H. propre) (4% autre) : A l’échelle industrielle, on utilise des membranes permettant le passage du courant et permettant 2H2O → 2H2 + O2. Si l’on veut que l’H. soit renouvelable, vertueux, il faut aussi qu’on apporte l’énergie préalable depuis des sources aussi renouvelables. Électrolyse de la vapeur d’eau → récupère l’E. lié à la condensation de l’eau, couplée à la récupération de chaleur pour alimenter des électrolyseurs à vapeur d’eau → en développement. schéma diapo suivante Parmi les autres très récents (1%) → utilisation de la biomasse. schéma : 2 types de procédés dans ce cycle : - biomasse se décompose et forme du gaz naturel utilisé pour produire de l’H. (même méthode que l'utilisation d’E. fossiles (95%)) où on considère que c’est neutre en C car on reforme derrière du CO2 qui rentrera de nouveau dans la boucle photosynthèse et biomasse. On néglige là aussi le coût du transport, stockage et consommation d’E. pour chauffer. - pyrolyse sous forme de C de composés ayant du C de manège naturel (chutes de bois,...(comme la technique de gazéification du charbon mais ici avec d’autres composés)) pour former de l’H. → Attention à la dépendance à l’H. et rester assez raisonnable pour ne pas augmenter massivement les productions de biomasse avec déforestation, engrais etc. Hydrogène naturel : On sait qu’il existe dans les profondeurs de la Terre. Explorations et exploitations en développement. Il est considéré comme un ressource renouvelable car il se forme à partir des métaux et acides au sein des roches. Il n 'existe aujourd’hui qu'une exploitation au Mali. On a donné des couleurs à l’H. pour l’identifier : cf schéma. Système progressivement abandonné. Maintenant on les décrit à partir de leur empreinte C et type d’H. Une fois produit, il faut pouvoir transporter, stocker (sous forme G, L ou S) avant son utilisation. Stockage sous forme gazeuse : → à très haute pression (200 à 700 bars), facile à mettre en œuvre mais coûteux, utilisé pour les véhicules à hydrogène ou dans l’industrie. C’est une technologie connue mais la densité énergétique est faible (même comprimé, il prend de la place, gaz très peu dense) et la sécurité est assez contraignante. Cas : Energy Observer 1, 1er navire autonome capable de produire son propre H. Energy Observer 2 alimenté par H2 liquide. Stockage sous forme liquide : → à -253°C, coûteux et complexe, réservé aux applications hautes technologies, mais en développement pour le transport longue distance. Photo : bateau-citerne d’H. (autre mode → hydrogénoduc avec utilisation d’installations existantes pour le gaz naturel). Avantage : densité énergétique élevée mais inconvénients : coût énergétique élevé. Stockage sous forme solide (espoir pour utilisation plus simple) : → par physisorption (charbon actif / zéolithes / nanotubes de C) mais stockage faible. → par chimisorption (surtout) (hydrures métalliques (Mg, feTi, LaNi5,...) => redonnant H2 par désorption. Avantages (hydrures métalliques) : meilleure sécurité, faible encombrement, faible coût énergétique. Inconvénient : nouvelles technologies encore en développement. Voiture à H2 : Pour parcourir 400 à 500 km environ à 4 kg de H2. A 25°C et 1 bar : 4 kg de H2 occupent 45m3. + cf illustration Québec Pile à combustible / PAC (réaction inverse à l’hydrolyse) : cf schéma.