Extraire et exploiter des informations en lien avec la chimie durable et la valorisation du dioxyde de carbone.

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1 Ch.17.Apport de la chimie au respect de l environnement Objectifs : Extraire et exploiter des informations en lien avec la chimie durable et la valorisation du dioxyde de carbone. Comparer les avantages et les inconvénients de procédés de synthèse du point de vue du respect de l'environnement. Médicaments, énergie, matériaux La chimie fait partie de notre quotidien, mais souffre d'une image négative auprès du grand public. Considérée comme polluante et dangereuse, la chimie connaît depuis le début des années 1990 une profonde mutation avec l'émergence de la chimie durable ou chimie verte. Quels sont les grands principes de la chimie durable? Comment concilier l'élaboration de produits performants avec la préservation de l'environnement et des ressources énergétiques? De quelle façon peut-on valoriser le dioxyde de carbone, gaz à effet de serre contribuant au réchauffement climatique? 1. Qu'est-ce que la chimie durable? La chimie durable ou chimie verte vise à limiter l'impact négatif de la chimie sur l'homme et son environnement. Elle s'inscrit dans une démarche de développement durable, veillant à concilier les problématiques économiques, sociales et environnementales. Lancé au début des années 1990 et introduit en 1998 par deux chimistes américains, le concept de chimie verte est basé sur douze principes fondateurs : 1) Éviter les déchets. 2) Économiser les atomes. 3) Concevoir des synthèses chimiques moins dangereuses. 4) Concevoir des produits chimiques plus sûrs. 5) Réduire l'utilisation de solvants organiques. 6) Augmenter l'efficacité énergétique. 7) Utiliser des matières premières renouvelables. 8) Privilégier des voies de synthèse ne générant pas de co-produits. 9) Utiliser des catalyseurs. 10) Concevoir des produits chimiques qui se dégradent après utilisation. 11) Analyser en continu pour prévenir les pollutions. 12) Limiter les risques d'accidents.

2 2. Comment mettre en œuvre les principes de la chimie durable? Économie d'atomes et limitation des déchets Afin de limiter les quantités de déchets, la chimie verte privilégie les voies de synthèse générant le moins de sous-produits possible. L'économie d'atomes EA (ou utilisation atomique UA) est un indicateur permettant de mesurer l'efficacité d'un procédé. Il est défini comme le rapport entre la masse molaire du (ou des) produit(s) recherché(s) et la somme des masses molaires des réactifs, la masse molaire de chaque espèce étant pondérée par le coefficient stœchiométrique correspondant : avec a i et b i les nombres stœchiométriques. Plus cet indicateur est proche de 1 (100 %), plus le procédé est efficace en terme d'économie d'atomes et moins il génère de déchets. Les réactions d'addition, qui ne génèrent aucun sous-produit (tous les atomes des réactifs se réarrangent pour former un seul produit), présentent une économie d'atomes maximale (100 %), contrairement aux réactions de substitution et d'élimination qui génèrent un ou plusieurs sous-produits. Choix du solvant Un solvant est un liquide capable de dissoudre ou de diluer d'autres espèces chimiques sans les modifier chimiquement ni se modifier lui-même. Les solvants sont très utilisés en synthèse organique : Lors de la synthèse, le solvant permet de dissoudre les réactifs solides et d'amener les réactifs en contact. La synthèse est suivie d'étapes de traitement (séparation, purification) mettant en jeu des solvants. On distingue les solvants suivant leur composition : Les solvants inorganiques ne contiennent pas d'atomes de carbone. Exemples : eau et solutions aqueuses, acide sulfurique concentré H 2 SO 4. Les solvants organiques contiennent des atomes de carbone. Très volatils, un grand nombre d'entre eux présentent des risques pour la santé (ils sont facilement inhalés) et pour l'environnement (ils sont notamment nocifs pour la couche d'ozone). C'est le cas par exemple des hydrocarbures aromatiques tels que le benzène, ou des hydrocarbures halogénés tels que le perchloroéthylène. Afin de réduire l'impact des solvants sur les opérateurs et sur l'environnement, trois axes sont envisageables :

3 Réduire les quantités de solvants utilisées : cela peut par exemple être réalisé en effectuant une synthèse «monotope» au cours de laquelle un réactif subit plusieurs réactions successives dans un même milieu réactionnel, ce qui évite les processus de séparation et de purification intermédiaires, coûteux en temps et en solvants organiques. Sélectionner les solvants les moins nocifs ou solvants verts. Utiliser des solvants alternatifs : liquides ioniques (solvants non volatils) ou fluides supercritiques (solvants aux propriétés intermédiaires entre celles des gaz et des liquides). Chimie douce La chimie douce permet d'élaborer des matériaux par de nouvelles voies de synthèse économes en énergie et s'inspirant du monde du vivant. Le procédé sol-gel permet ainsi la fabrication de verres par polymérisation inorganique à une température comprise entre 20 à 150 C, au lieu des procédés de fusion à haute température (1 300 à C) utilisés habituellement. Utilisation des agro-ressources Les agro-ressources correspondent aux matières premières renouvelables issues de l'agriculture. Les biomolécules issues des agro-ressources peuvent se substituer aux molécules organiques issues des ressources fossiles pour l'élaboration de nombreux produits : biocarburants, détergents, peintures, bioplastiques Par exemple, l'acide lactique est utilisé pour élaborer un biopolymère biodégradable, l'acide polylactique (PLA), employé pour l'emballage alimentaire et le textile. En outre, les biomolécules ne contribuent pas à l'augmentation de l'effet de serre, car le dioxyde de carbone rejeté lors de leur dégradation correspond à celui capté par le végétal lors de la photosynthèse. Recyclage Les sous-produits indésirables et les réactifs non consommés doivent être recyclés au maximum, de même que les solvants volatils usagés, qui peuvent être régénérés par distillation. 3. Comment valoriser le dioxyde de carbone? Le dioxyde de carbone (CO 2 ) est un gaz à effet de serre qui contribue au réchauffement climatique. Afin de limiter les rejets de dioxyde de carbone d'origine anthropique dans l'atmosphère, des méthodes de séquestration sont développées :

4 Stockage dans les couches géologiques profondes (gisements épuisés de pétrole ou de gaz, aquifères salins). Captation par des organismes photosynthétiques tels que des algues (bioséquestration). Le dioxyde de carbone peut également être valorisé de différentes manières : Valorisation sans transformation : le dioxyde de carbone peut être utilisé directement en tant que solvant supercritique, fluide réfrigérant ou gazéifiant de boissons. Valorisation par transformation chimique : par réaction chimique avec un autre composant fortement réactif, le dioxyde de carbone peut mener à la synthèse d'un produit chimique de base ou d'un produit à valeur énergétique. Valorisation par transformation biologique : par l'intermédiaire de la photosynthèse au sein d'organismes biologiques, tels que les algues, le dioxyde de carbone peut être utilisé pour synthétiser des produits d'intérêt, comme des biocarburants. Ces techniques présentent cependant un certain nombre d'inconvénients : très gourmandes en énergie, elles présentent généralement un rendement faible et nécessitent l'utilisation de réactifs toxiques. Exercice 1.

5 Exercice 2.

6 Exercice 3.

7 Exercice 4.

8 Exercice 5.