[PDF] DUN SOLVANT EFFET DUN CATALYSEUR

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Spécialité PC

• Constitution et transformation de la matière

DOSSIER 5

EFFET D"UN CATALYSEUR

D"UN SOLVANT

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• Constitution et transformation de la matière

EFFET D"UN CATALYSEUR

DOSSIER

5 1

Objectifs

Terminale spécialité -

Sciences physiques

et chimiquesConstitution et transformation de la matière

Thème 1

Partie

Notions et contenus

Compétences mobilisées

NOTRE AIR INTÉRIEUR COLONISÉ PAS DE NOMBREUX POLLUANTS

Il existe deux grandes familles de

polluants, les polluants chimiques (organiques et inorganiques) et les polluants biologiques. Depuis que la composition de l'air intérieur fait l'objet d'études approfondies, on réalise l'importance de la pollution par les composés organiques volatils (COV), classe importante et nou velle puisque, jusqu'à présent, on n'a jamais mesuré dans l'atmosphère extérieur une aussi grande variété de composés, et à des concentrations aussi élevées.2

© Fondation de la Maison de la chimie, 2018

POLLUTION : COMMENT AMÉLIORER LA QUALITÉ DE L'AIR DANS NOS HABITATIONS les émissions des transports ou de sites industriels pénètre dans les bâtiments par les portes et les fenêtres. On relève également la présence de composés organiques volatils (COV) (4) (le formaldéhyde, le chlorure de vinyle, les éthers de glycol) ou semi-vo latils (phtalates...) provenant d'aérosols tels que les parfums, les déodorants, ou des colles. Ces COV émanent également des matériaux de construction, des sols et des murs ainsi que du mobilier ou des tissus ( gure 2 ).Citons également l'ozone produit par les équipe- ments électriques tels que les épurateurs d'air ou des imprimantes laser, les bio-contaminants tels que les moisissures, les allergènes provenant des acariens, des animaux domestiques et aussi les polluants solides tels que les particules de bois et de silice, les bres de matériaux (par exemple l'amiante) (5) sur lesquelles peuvent s'adsorber toutes sortes de composés, etc. Les effets sur la santé peuvent aller de la simple gêne olfactive (6)

à une irritation des yeux, de la

peau, voire de l'appareil respiratoire, en passant par des problèmes de somnolence. Des patholo -gies plus lourdes peuvent apparaître telles que des crises d'asthme ou des allergies, jusqu'à des pathologies très graves comme des cancers (poumon, plèvre...) pouvant survenir par suite d'expositions longues à des polluants de l'air intérieur. Les enfants, les femmes enceintes, les personnes âgées et toutes les personnes immuno- déprimées, sont les plus sensibles.

De quels moyens disposons-nous aujourd'hui

pour gérer la qualité de l'air intérieur ? Seuls trois types de règlementation existent, qui ciblent

certaines substances dont l'amiante. L'usage de l'amiante a été interdit dans les bâtiments construits à partir de 1997. Une réglemen- tation analogue a été édictée pour le radon, gaz radioactif présent dans certaines régions granitiques et qui pénètre dans les logements à travers les porosités et fissures des sols de mauvaise qualité. Des dispositions régle- mentaires existent aussi pour le monoxyde de carbone, en lien avec l'entretien des dispositifs de chauffage des habitations (7) , notamment les

chaudières. Enfin, plus récemment, des disposi-tions ont été adoptées à propos du tabagisme,

interdisant depuis le 1 er février 2007 que l'on fume dans les lieux collectifs, et à propos des ventilations et aérations, via des obligations à respecter lors de la construction des bâtiments. Un autre type de réglementation vise à limiter les concentrations de certaines substances dans la composition des produits utilisés pour le brico lage et la décoration (les peintures par exemple).

La réglementation française a rendu obligatoire, en 2011, l'étiquetage des caractéristiques sanitaires

Figure 2. Qu'ils proviennent de matériaux de construction ou de décoration, ou qu'ils soient issus de nos activités quotidiennes, les composés organiques volatiles (COV) tels que le formaldéhyde, les hydrocarbures aromatiques polycycliques, etc., sont plus nombreux qu'on ne le soupçonne dans notre environnement intérieur.

Les composés organiques volatils (COV)

dans notre environnement intérieur.

© www.mediachimie.org/sites/default/files/

FC4-17-pollution.pdf

2

© Nathan

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Ceci fait ressortir que l"air intérieur des bâtiments est plus pollué que l"air exté rieur, tout au moins par ces polluants chimiques. Un chire très représentatif est celui du formaldéhyde, polluant détecté dans la totalité des logements français: sa concentration est multipliée par dix dès que l"on pénètre dans un bâtiment. Les autres polluants chimiques sont des molécules inorganiques telles que le monoxyde de carbone et les oxydes d"azote comme le monoxyde d"azote NO. Il existe par ailleurs des polluants biologiques virus, bactéries, moisissures ou encore des acariens et allergènes que l"on détecte régulièrement dans les aéro- sols des maisons et des hôpitaux. De quelles armes disposons-nous aujourd"hui pour éliminer ces multiples pol luants, qu"ils soient biologiques ou chimiques Établir un tableau d'avancement pour suivre l'évolution d'un système et déterminer la quantité de matière des réactifs et des produits. L'avancement nal correspond à l'avancement maximal dans le cas d'une transformation totale. Notions de semi-conducteur et de gap entre bande de valence et bande de conduction.

Relation entre énergie et longueur d'onde.

Nous vous conseillons de consulter le Dossier 1 - Les catalyseurs: pour quoi faire ? - 1 re

STL disponible sur le site Mediachimie :

3

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Document 1: Qu"est-ce qu"un catalyseur

Un catalyseur permet, à une température donnée, d"accélérer la vitesse d"une réac- tion chimique et est régénéré à la n de la réaction sans être consommé: catalyseur + réactifs produits + catalyseur Deux images peuvent servir à illustrer simplement le principe de fonctionnement du catalyseur: L"image du tunnel dans la montagne: si l"on est dans la montagne au village A, dans une vallée haute et que l"on veut aller au village B d"une vallée plus basse, c"est facile, sauf s"il y a un col à une altitude très élevée entre les deux qui peut prendre beaucoup de temps pour être gravi. En revanche, s"il y a un tunnel entre les deux vallées, cela ne change rien pour le départ et l"arrivée, mais cela permet d"aller très vite du village A au village B: le catalyseur joue le rôle du tunnel.

L"image du banc dans le jardin public

APP APP

Document 2: La barrière énergétique

La diculté principale est placée dans

les fondements même de la chimie, science qui casse et forme les liaisons " chimiques» entr e les atomes pour créer de nouvelles molécules ou de nouveaux matériaux. En eet, pour cas- ser les liaisons chimiques, il faut four- nir de l"énergie, franchir une barrière.

L"image intuitive est celle du marcheur

en montagne qui doit passer un col

entre deux vallées. Cette énergie peut être communiquée à la molécule en élevant la

température, en travaillant à haute pression, ou en utilisant des réactifs eux-mêmes peu stables, de haute énergie. Dans ces conditions, la réaction chimique demande beaucoup d"énergie, et passant par des barrières hautes, le contrôle n des produits formés est dicile, entraînant la présence de sous-produits qui doivent être traités. Une autre approche très élégante consiste à mettre en place une catalyse. Une molé cule ou un matériau additionnel est impliqué(e) ; son rôle est d"abaisser la barrière d"énergie pour aboutir à un chemin de réaction plus facile, pour passer par un col plus bas. cl%C3%A9-pour-une-chimie-durable 79

Domaines d'applications

l'actualité chimique- février-mars2014 -n° 382-383

Méthodes dechimie théorique

pour lacatalyse hétér ogène Dans cecontexte, lachimie théoriqueet lasimulation moléculaire jouentaujourd'hui unrôle majeurpour com- prendre toutd'abord lastructure descatalyseurs etleur rôle pour laréaction chimique,mais aussipour prédireet conce- voir denouveaux catalyseurs[5-9]. Commel'on souhaite casser etformer desliaisons chimiquesà lasurface ducata- lyseur, lesméthodes àbase dechamps deforces, très populaires pourles applicationsen biochimie,sont icid'une utilité trèslimitée. Eneffet, cesméthodes sontadaptées pour décrire dessystèmes chimiquesproches deleur géométrie d'équilibre, maisne permettentpas dereprésenter labarrière d'énergie lorsquel'on quittecet équilibrepour casserune liaison. Onpeut soulignercependant l'effortrécent afin de développerdes champsde forcesdits réactifs,qui permettent dansune certainemesure l'étudede chemins de réactions[10]. Les moléculessont constituéesde noyauxatomiques et d'électrons. Laforce desliaisons chimiquesentre lesatomes et l'évolutionde l'énergielorsque l'oncasse uneliaison sont assurées parles électronsqui formenten quelquesorte le " liant» entreles atomeset assurentla cohésionde lamolé- cule. Letraitement dela structuredes électronsau seindes pline appelée" chimiequantique »(voir lesarticles surles méthodes dansce mêmenuméro) [11]: H el fiE el fi, avecH el =T e +V ne +V ee E el vers del'hamiltonien H el , opérateurdécrivant outrel'énergie cinétique desélectrons T e , lestermes d'interactionélectros- tatique entreles noyauxet lesélectrons, V ne , d'unepart, et entre lesélectrons eux-mêmes,V ee , d'autrepart. Malgrésa solution analytiquepour lesmolécules contenantplus d'un électron (c'est-à-direquasiment toutes...).La difficultévient des termesd'interaction entreélectrons, quiimpliquent que le mouvementd'un électrondépend dela positioninstanta- née detous lesautres. Ilfaut doncmettre enœuvre des approximations etrecourir àdes approchesnumériques de calcul intensif. Deux famillesde méthodesont étédéveloppées. La première viseà obtenirune solutionapprochée dela fonction d'ondefi, unefonction complexedépendant descoordonnées dechaque électron.Les méthodes lesplu sévoluées danscette classe, appeléespost Hartree-Fock,sont précises maislimitées àdes systèmesde petites tailles,ce quiles rendpeu appro- priées pourla modélisationde réactionsur des catalyseurshétérogènes.

La deuxièmeapproche estcelle dela

où l'onutilise commevariable fondamentale non plusla fonctiond'onde maisla densité

électronique (r), unefonction plussimple

dépendant uniquementdes troiscoordon- nées d'espacex, yet z.Cette simplification est totalementjustifiée parle théorème d'Hohenberg etKohn, quirend lathéorie de la fonctionnellede ladensité formellement exacte [12].Cependant, ladépendance del'énergie vis-à-vis deladensitéE[ (r)]n'estpasconnueet,làaussi,ilfautrecourir sité estalors unpeu moinsprécise queles méthodesde la taille beaucoupplus grande(jusqu'à environmille atomes). C'est laméthode dechoix pourl'étude théoriquedes cataly- seurs hétérogèneset dela réactivitécatalytique. Danscet article, nousavons utiliséle codeDFT périodeVASP [13]et une fonctionnelledans l'approximationgénéralisée dugra- dient (GGA)de typePW91 [14].Les fonctionsmono-électro- niques deKohn-Sham sontdéveloppées surune base d'ondes planes,avec uneénergie decoupure de400 eV.Le augmented wave») [15]. Le calculde chimiequantique fournitl'énergie électro- nique totalepour chaquegéométrie dusystème considéré. Cependant, noussouhaitons suivrel'énergie toutau long d'une réactionchimique afinde simulerdes profilscomme ceux dela figure 1. Pourcela, ilfaut mettreen placedes méthodes dedétermination dechemins deréaction. La figure 2illustre lecas simpleoù l'énergiene dépendque de Figur e1-La catalyse faciliteles réactionschimiques enabaissant labarrière énergétique. 4

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4 APP Retrouver le rapport des concentrations intérieur / extérieur annoncé

dans l"introduction pour le formaldéhyde.

5 APP/COM Calculer le rapport des concentrations intérieur / extérieur

pour le toluène. Chercher la toxicité relative de cette espèce chimique. Sont entourés en rouge des composés trouvés dans l'air intérieur et absents à l'extérieur. 'OE fi fi fi flfi fl fl flfi fl flfl fl D'après Médiachimie, "La photocatalyse pour dépolluer l'air intérieur»

1 RCO/APP Donner une dénition complète d"un catalyseur.

2 APP Expliquer l"image du banc dans le jardin public illustrant le rôle

d"un catalyseur en catalyse hétérogène.

3 APP Expliquer si un catalyseur modie l"état initial et l"ét

at nal d"un système chimique. Sinon, quelles sont les modications apportées par le ca talyseur 5

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6 COM Chercher la dénition d"un semi-conducteur.

7 APP En quelles espèces sont décomposés les COV lors de la photocata

lyse ? fi

Le principe de la photocatalyse.

6

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8 REA Calculer la valeur d"énergie, en J, pour qu"un électron franchisse

le gap du semi-conducteur entre bande de valence et bande de conduction.

Donnée:

1 eV = 1,602.10

-19 J

9 REA À partir de cette valeur d"énergie de gap, calculer la longueu

r d"onde d"utilisation de ce semi-conducteur. Est-ce en accord avec l"utilisation de l"oxyde de titane

Donnée:

quotesdbs_dbs16.pdfusesText_22

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