Mais qu est ce qu on entend exactement par le terme «énergie» et d où provientelle

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1 Introduction Le mot «énergie» est sans doute un des termes les plus utilisés de nos jours. Régulièrement ce mot fait la une des journaux, de la radio et de la télévision. Mais pourquoi est-ce qu on attribue une telle importance à cette notion? La réponse est toute simple: sans énergie, notre société ne pourrait pas fonctionner et même la vie serait tout simplement impossible! Chaque être vivant a besoin d énergie. Pour les mammifères par exemple, les aliments fournissent l énergie nécessaire au maintien de la température corporelle et au fonctionnement des organes et des muscles. Ainsi, même quand nous dormons, nous avons besoin d énergie. Parallèlement au développement des sociétés, le besoin en énergie a augmenté. Durant les derniers 200 ans, les hommes sont devenus de plus en plus énergivores, la demande d énergie ne cesse d augmenter. Dans la vie quotidienne nous dépensons en permanence de l énergie que ce soit de façon directe ou de façon indirecte. Nous nécessitons de l énergie de façon directe par exemple pour le travail avec l ordinateur, le déplacement en auto ou en bus, la préparation des repas, le chauffage de notre domicile ou encore pour éclairer les lieux. Le transport, la conservation et l emballage des produits que nous consommons sont des exemples d une dépense d énergie de façon indirecte. Mais qu est ce qu on entend exactement par le terme «énergie» et d où provientelle? Le mot «énergie» peut être associé aux mots suivants : force, endurance, dynamisme, pouvoir. Tous ces mots font allusion à une activité, un travail. On peut ainsi retenir la définition suivante : L énergie est la capacité de produire un travail. L énergie stockée dans les muscles permet de soulever un haltère. L énergie stockée dans l essence, libérée par combustion, permet le déplacement d une voiture (rotation des roues).

2 Les sources d énergie sont diverses. Voici les sources principales: - énergies chimiques fossiles et de biomasse (photo: champ pétrolier aux Etats-Unis) - énergie nucléaire (photo: centrale nucléaire de Cattenom) - énergie solaire (photo: soleil) - énergie de géothermie (photo: geyser en Islande) - énergie des marées (photo: vagues) - énergie hydraulique (photo: barrage Glen Canyon en Arizona) - énergie éolienne (photo: éolienne à Remerschen) On peut faire une distinction entre énergie renouvelable et énergie non-renouvelable. Les énergies solaire et éolienne comptent parmi les énergies renouvelables : tant que le soleil brille et que le vent souffle, ces énergies sont exploitables. Théoriquement ces énergies sont disponibles à jamais. L énergie fossile est par contre une énergie non-renouvelable. Cette énergie n est disponible tant qu il y a des réserves de carburants. La situation est identique dans le cas de l énergie nucléaire qui nécessite de l uranium, dont les stocks sont pourtant aussi limités. De nos jours, l énergie chimique fossile et l énergie nucléaire sont encore les plus utilisées mais aussi les plus controversées. C est l étude de ces deux formes d énergie qui est proposée dans le manuel ci-contre.

3 Partie 1 : L énergie fossile I Les carburants fossiles 1. Généralités 4 2. Composition des carburants fossiles 5 3. Utilisation des carburants fossiles Le gaz naturel et le charbon Le pétrole 9 Exercices 10 II Les réactions de combustion 1. La combustion Combustion complète et incomplète Les équations chimiques 15 Exercices 17 III Aspects énergétiques 1. Les réactions exothermiques Origine de l énergie thermique Exemple de transformations d énergie L énergie, une quantité mesurable 21 Exercices 22 POUR EN SAVOIR PLUS : Le moteur à essence 24 POUR EN SAVOIR PLUS : La centrale thermique à carburants fossiles 25 IV Le dioxyde de carbone 1. Propriétés du dioxyde de carbone Le cycle du dioxyde de carbone L effet de serre 31 Exercices 32 4 Calcul du dioxyde de carbone émis 32 Exercices 37

4 I. Les carburants fossiles La source d énergie la plus connue, la plus utilisée et la plus facilement exploitable est sans doute celle issue des carburants fossiles. L industrialisation, engendrée par la découverte de ces carburants, a conduit à notre société moderne, une société qui se caractérise par une consommation d énergie de plus en plus élevée. 1. Généralités Il existe 3 différents carburants fossiles : le charbon, le pétrole et le gaz naturel. Le pétrole le charbon le gaz naturel Il s agit de composés «naturels» qui ne sont pas fabriqués artificiellement par l homme. Ils sont répartis en quantité inégale sur les différentes parties du globe et en général, il suffit de les exploiter afin de pouvoir les utiliser. Leur principal emploi est celui de la combustion pour produire de l énergie. Ils sont communément appelés «carburants». Pays détenant les plus grandes réserves de carburants fossiles Pétrole (en millions de tonnes) Charbon (en millions de tonnes) Gaz naturel (en m 3 ) Arabie-Saoudite États-Unis Russie Iran Russie Iran Iraq Chine Katar Kuwait Inde Emirats Arabes Unis Australie Venezuela Russie Kazakhstan Libye 4

5 I. Les carburants fossiles D un point de vue chimique, le gaz naturel, le pétrole et le charbon sont très similaires. Leur origine est identique : ils ont été formés à partir de la décomposition de végétaux et d animaux sous pressions et températures énormes, il y a des millions d années. C est la raison pour laquelle on parle de carburants fossiles. Les carburants fossiles sont des composés issus de la décomposition de végétaux et d animaux, il y a des millions d années. Leur principale utilisation est celle de la combustion afin de produire de l énergie. 2. Composition Expérience 1: Une petite quantité de pétrole est enflammée dans une capsule. Le pétrole brûle mais s éteint après un certain temps. L expérience 1 permet de montrer que le pétrole est un mélange de différents composés. Les composés facilement inflammables brûlent jusqu à épuisement. Le reste est constitué de composés difficilement inflammables qui n entrent pas facilement en combustion. Le charbon, le pétrole et le gaz naturel ne sont pas des corps purs : ce sont des mélanges de différents composés chimiques similaires. Les expériences suivantes permettent de déterminer les éléments chimiques formant ces composés chimiques. 5

6 I. Les carburants fossiles Expérience 2: Du méthane (constituant principal du gaz naturel) est enflammé à la sortie d un brûleur Bunsen. On place une capsule en porcelaine dans la flamme. Un dépôt noir se forme sur la surface de la capsule. Il s agit de l élément carbone. Remarque : on observe le même dépôt de carbone sur la surface de la capsule de l expérience 1. Puisque le carbone ne peut pas provenir de l air ambiant, il est issu du gaz. Le méthane contient donc l élément carbone. Expérience 3: Répétons l expérience ci-dessus en maintenant un verre à pied au dessus de la flamme. De petites gouttelettes d un liquide incolore se déposent sur le verre. Un bout de papier bleu de chlorure de cobalt trempé dans le liquide vire au rose. C est la preuve qu il s agit d eau. Remarque : ces expériences peuvent être répétées pour tous les carburants fossiles dans des conditions appropriées. La molécule d eau est formée à partir de l élément oxygène et hydrogène (H 2 O). Puisque l oxygène provient de l air ambiant, on ne peut pas tirer des conclusions quant à la présence de l élément oxygène dans le gaz. Par contre, l élément hydrogène ne peut pas provenir de l air ambiant. On peut en déduire que celui-ci est contenu dans le méthane. On retrouve les éléments «carbone» et «hydrogène» dans les composés constituant les carburants fossiles. Ces composés chimiques sont appelés «hydrocarbures». Les hydrocarbures sont formés à partir des éléments carbone (C) et hydrogène (H). Les carburants fossiles sont des mélanges contenant principalement des hydrocarbures. 6

7 I. Les carburants fossiles Il existe une multitude d hydrocarbures. Les plus simples, à savoir les alcanes, constituent la partie majoritaire des carburants fossiles. Le nombre élevé d hydrocarbures résulte de la caractéristique de l atome de carbone de pouvoir se lier à quatre atomes. L atome d hydrogène, en revanche, ne peut se lier qu à un seul atome. La molécule d hydrocarbure la plus simple est formée à partir d un atome de carbone (gris foncé) et de quatre atomes d hydrogène (blanc): il s agit du méthane : chaque atome d hydrogène se lie à 1 atome de carbone 1 atome de carbone se lie à 4 atomes d hydrogène représentation 3D de la molécule CH 4 (le 4 ème atome H se trouve derrière l atome C) La composition d un corps chimique est représentée à l aide d une formule chimique. On applique les règles suivantes pour l établissement de formules chimiques: - représenter l atome par le symbole chimique - indiquer par des indices le nombre d atomes respectifs 7

8 I. Les carburants fossiles Pour les composés qui contiennent du carbone et de l hydrogène, on met d abord le symbole pour l atome de carbone, ensuite celui de l hydrogène. Lorsque la molécule contient encore d autres éléments chimiques, les symboles suivent un ordre alphabétique. Il en résulte la formule chimique suivante pour le méthane : CH 4 4 atomes d hydrogène 1 atome de carbone (l indice 1 n est pas mis) Les autres hydrocarbures s édifient de la même manière. Voici la liste des 10 hydrocarbures les plus simples : Exemple : Nom Formule chimique Utilisation méthane CH 4 Gaz naturel éthane C 2 H 6 Gaz naturel propane C 3 H 8 Camping gaz butane C 4 H 10 Gaz de briquet pentane C 5 H 12 Industrie chimique hexane C 6 H 14 Solvant heptane C 7 H 16 Essence octane C 8 H 18 Essence nonane C 9 H 20 Mazout décane C 10 H 22 Mazout L heptane est un hydrocarbure contenu dans l essence. Sa formule chimique est C 7 H 16. La molécule d heptane est donc formée à partir de 7 atomes de carbone et de 16 atomes d hydrogène. Représentations 2D et 3D de la molécule : 8

9 I. Les carburants fossiles 3. Utilisation 3.1 Le gaz naturel et le charbon Le gaz naturel et le charbon sont des carburants fossiles susceptibles d être utilisés directement sans traitements supplémentaires majeurs. Par exemple, le gaz naturel est utilisé pour chauffer les maisons. Le charbon est essentiellement employé dans des centrales thermiques afin de produire de l énergie électrique. Voir «réactions de combustion» et «centrale thermique» 3.2 Le pétrole Comme le gaz naturel et le charbon, le pétrole est un mélange de différents composés, à savoir les hydrocarbures. Pour pouvoir exploiter les composants du pétrole, il faut procéder à la séparation du mélange. Déjà en classe de cinquième, plusieurs méthodes de séparation ont été étudiées. Une séparation est toujours basée sur les différentes propriétés des composants du mélange. Dans le cas du pétrole, nous venons d en découvrir une : la température d ébullition. (voir expérience 1) Les composants du pétrole peuvent être séparés par distillation. Le pétrole est chauffé jusqu à C dans un fo ur de distillation relié à une tour de distillation. Dans cette tour, les composants se répartissent selon leur température d ébullition. Ceux qui ont la température d ébullition la plus basse (les plus volatils) montent au sommet. A chaque plateau, on récupère, en partant du haut en bas : les gaz, les essences, le kérosène, les gazoles et les produits lourds. Les produits de séparation qu on obtient aux différents niveaux constituent toujours des mélanges, appelés «fractions». Le procédé de séparation est dénommé «distillation fractionnée». Les différents constituants du pétrole peuvent être séparés à l aide de la distillation fractionnée. gaz C 1 à C 4 pétrole brut mélange distillation fractionnée essences kérosène gazoles produits lourds fractions (mélanges) C 5 à C 12 C 12 à C 20 >C 20 >C 20 hydrocarbures contenus dans fractions respectives 9

10 I. Les carburants fossiles tour de distillation gaz <30 C essence C kérosène C C gazole C pétrole brut four de distillation produits lourds distillation sous vide >350 C Exercices 1. Formation des carburants fossiles Faites une recherche à l aide d Internet au sujet de la formation des carburants fossiles. N oubliez pas d indiquer vos sources! Vous pouvez aussi consulter des livres spécialisés. 2. Représentation d hydrocarbures Faites une représentation des 5 premiers hydrocarbures de la liste figurant à la page Formules chimiques a. Trouvez la formule générale traduisant le nombre d atomes de carbone et d hydrogène dans les molécules d hydrocarbures (tableau). b. Les phéromones sont des substances chimiques émises par des animaux ou des végétaux qui agissent comme messagers, notamment au niveau de l attraction sexuelle. 10

11 I. Les carburants fossiles L orchidée Ophrys sphegodes émet un mélange de phéromones pour attirer les abeilles. Ce mélange contient entre autres les 3 hydrocarbures (alcanes) suivants: - tricosane (23 atomes de carbone) - pentacosane (52 atomes d hydrogène) - heptacosane (27 atomes de carbone) Trouvez les formules chimiques correspondantes. 4. Points d ébullition des hydrocarbures a. Recherchez à l aide d Internet ou dans des manuels spécialisés les points d ébullition des hydrocarbures étudiés. Commentez-les! b. Trouvez une explication à l évolution des points d ébullition. Utilisez le modèle particulaire (Teilchenmodell) des changements des états de la matière, vu en classes de sixième et de cinquième. 5. Molécules de la chimie organique L atome de carbone peut lier 4 atomes pour former des molécules. Ainsi s explique la multitude de ces composés (on connaît des millions de composés différents). Toutes ces molécules font partie de la chimie organique. Nous venons d étudier le groupe des hydrocarbures, formés exclusivement à partir des éléments carbone et hydrogène. Un grand nombre d autres molécules organiques contiennent les éléments oxygène (rouge), azote (bleu) et soufre (jaune) et peuvent même contenir des métaux comme le sodium (noir). a. Pour les molécules suivantes, établissez la formule chimique. b. Recherchez le nom et l utilisation du composé en question. Pour lesquels s agit-il d hydrocarbures? 6. Utilisation des fractions Recherchez l utilisation des différentes fractions issues de la distillation fractionnée du pétrole. 11

12 II. Les réactions de combustion L usage principal du gaz naturel, du charbon et de la plupart des produits issus de la distillation fractionnée du pétrole est la production d énergie. Le moteur d une voiture fonctionne à l essence ; le mazout ou le gaz servent à chauffer la maison ; le kérosène fait marcher la turbine d un avion et le charbon est utilisé pour produire de l énergie électrique. Cette énergie est facilement accessible, il suffit tout simplement de brûler les composés en question. 1. La combustion Expérience 4: Une bougie est allumée et placée sous une cloche en verre. La cire de la bougie est composée de différents hydrocarbures. A l aide d un tuyau en caoutchouc, on remplace l air dans la cloche par les gaz suivants: dioxyde de carbone, diazote, dioxygène. 1 2 La réaction de combustion se déroule uniquement dans le dioxygène (photo 1). Les autres gaz conduisent à l arrêt de la réaction de combustion (photo 2). En général, une combustion est une réaction chimique entre un combustible et le dioxygène. Un combustible est un corps qui peut entrer en combustion (ici : la cire). Le dioxygène est le comburant, un corps qui entretient la combustion. 12

13 II. Les réactions de combustion 2. Combustion complète et incomplète Expérience préliminaire: On souffle à l aide d un tuyau en caoutchouc dans un flacon laveur contenant de l eau de chaux (Kalkwasser). L eau de chaux devient trouble. L eau de chaux permet de mettre en évidence le dioxyde de carbone. Celui-ci réagit avec l eau de chaux pour former un précipité blanc insoluble, le carbonate de calcium (calcaire). Cette méthode est utilisée chaque fois qu on veut démontrer la présence de dioxyde de carbone. Expérience 5: On réalise le montage ci-contre. Un entonnoir fixé à un tube en verre est relié à un flacon laveur. Celui-ci est relié à une pompe à vide qui aspire les gaz formés. On tourne la virole du brûleur Bunsen afin d ouvrir le trou d alimentation en dioxygène. On place le brûleur sous l entonnoir. On observe des gouttelettes d eau dans le tube en verre et l eau de chaux devient trouble. L expérience 5 permet de déterminer les composés produits lors de la réaction de combustion complète d un hydrocarbure. Des gouttelettes d eau condensent dans le tube en verre. L eau de chaux permet de mettre en évidence le dioxyde de carbone. Lors de la combustion complète d un hydrocarbure, il y a formation de dioxyde de carbone et d eau. On observe une flamme bleu pâle. 13

14 Énergie fossile II. Les réactions de combustion Expérience 6: On utilise le même brûleur que dans l expérience 6. Le trou d alimentation en dioxygène du brûleur est fermé à l aide de la virole. Il y a apparition d une flamme brillante de couleur jaune orange. On place une capsule en porcelaine dans la flamme. Comme on l a observé dans l expérience 2, un dépôt noir de carbone se forme sur la surface de la capsule. Lors de la combustion incomplète d un hydrocarbure, il y a formation de carbone et d eau. Une flamme brillante de couleur jaune orange apparaît qui est constituée de fines particules de carbone incandescentes. Selon la quantité de dioxygène disponible, on fait la différence entre une combustion complète et une combustion incomplète. Exemple du brûleur Bunsen : trou d alimentation fermé moins de dioxygène combustion incomplète trou d alimentation ouvert plus de dioxygène combustion complète 14

15 II. Les réactions de combustion 3. Les équations chimiques Les réactions chimiques sont représentées par des équations chimiques. Le texte traduisant la réaction est remplacé par des symboles. Ceci permet de comprendre la signification indépendamment des connaissances linguistiques. Exemple-type : établissement de l équation chimique traduisant la combustion complète de l heptane 1 ère étape : compréhension du texte et connaissance des formules Il faut identifier dans le texte les réactifs (corps chimiques qui entrent en réaction) et les produits (corps qui sont produits lors de la réaction chimique). Deuxièmement, il faut connaître les formules chimiques correspondantes. 2 ème étape : remplacement des mots par des symboles Texte: L heptane réagit avec le dioxygène pour former du dioxyde de carbone et de l eau. On remplace chaque terme de l équation par la formule chimique correspondante. Les mots «réagit avec» et «pour former» sont remplacés respectivement par les symboles «+» et une flèche. On obtient ainsi l équation chimique suivante : Equation chimique : C 7 H 16 + O 2 CO 2 + H 2 O 3 ème étape : équilibrer l équation chimique Lorsqu on symbolise l équation par les représentations des molécules, on identifie un problème au niveau du nombre d atomes. Différents atomes semblent disparaître (atomes de carbone et d hydrogène) tandis que d autres semblent apparaître (atomes d oxygène). De ce fait, la représentation de cette équation ne peut pas correspondre à la réalité, puisque d après la loi de Lavoisier, «rien ne se crée et rien ne se perd». 15

16 II. Les réactions de combustion Pour y remédier, il faudra décompter pour chaque élément les atomes du côté des réactifs et des produits et ajuster le nombre de molécules ; on dit qu il faut équilibrer l équation. La molécule d heptane est formée à partir de sept atomes de carbone. Or, la molécule de dioxyde de carbone ne contient qu un seul atome de carbone. On augmente le nombre de molécules de dioxyde de carbone à 7. Lors de la réaction, il y a production de sept molécules de dioxyde de carbone. On met le nombre 7 devant la formule du dioxyde de carbone. Ce nombre est appelé coefficient stœchiométrique. C 7 H 16 + O 2 7 CO 2 + H 2 O Pour les autres éléments on procède de la même manière. Le nombre de molécules d eau est ajusté à 8 unités pour tenir compte des 16 atomes d hydrogène dans la molécule d heptane. Lors de la réaction, il y a formation de 8 molécules d eau. C 7 H 16 + O 2 7 CO H 2 O Finalement on ajuste le nombre d atomes d oxygène. Du côté des produits on décompte 22 atomes. Le nombre de molécules de dioxygène est augmenté à 11. Equation équilibrée : Représentation: C 7 H O 2 7 CO H 2 O Il en résulte l équation chimique équilibrée qui traduit la combustion complète de l heptane. Une molécule d heptane réagit avec 11 molécules de dioxygène pour former 7 molécules de dioxyde de carbone et 8 molécules d eau. Il est possible d indiquer l état de la matière du corps chimique en question par les indices (s,l,g): Exemple: H 2 O (g) eau sous forme gazeuse (vapeur d eau) H 2 O (l) eau liquide H 2 O (s) eau solide (glace) C 7 H 16 (l) + 11 O 2 (g) 7 CO 2 (g) + 8 H 2 O (g) 16

17 II. Les réactions de combustion Exercices 7. Équations chimiques a. Établissez les équations équilibrées des réactions chimiques suivantes : - la combustion incomplète et complète du propane - la combustion incomplète du C 14 H 30 b. Équilibrez les équations suivantes : a. H 2(g) + CO (g) CH 4 O (g) b. H 2 S (g) + O 2(g) SO 2(g) + H 2 O (g) c. C 6 H 12 O 6(s) + O 2(g) CO 2(g) + H 2 O (g) d. C 3 H 5 N 3 O 9(l) CO 2(g) + H 2 O (g) + N 2(g) + O 2(g) e. NH 3(g) + O 2(g) + CH 4(g) HCN (g) + H 2 O (g) 8. Formation de la pluie acide L essence contient des composés soufrés dont la combustion conduit à la formation de la pluie acide. Pour y remédier, on essaie de réduire la quantité de soufre dans l essence. Ainsi on trouve souvent sur la pompe d une station d essence l inscription «essence pauvre en soufre». Voici les différentes réactions chimiques responsables de la formation de la pluie acide à partir de la combustion des composés soufrés : Le liquide éthanthiol C 2 H 6 S entre en combustion et il y a formation du gaz dioxyde de soufre (SO 2 ), de l eau et de dioxyde de carbone. Le gaz dioxyde de soufre ainsi libéré dans l atmosphère, réagit avec l eau (de pluie) et du dioxygène en formant de l acide sulfurique (H 2 SO 4 ). La pluie acide ainsi formée réagit avec le calcaire (CaCO 3 ; carbonate de calcium), matériau de construction de nombreux bâtiments et monuments. Ces derniers sont détruits par la réaction suivante : L acide sulfurique réagit avec le carbonate de calcium pour former le solide sulfate de calcium (CaSO 4 ), de l eau et du dioxyde de carbone. Établissez les équations équilibrées pour les 3 étapes. Indiquez l état de la matière des différents corps chimiques. 17

18 III. Aspects énergétiques 1. Réactions exo et endothermiques Les réactions de combustion sont accompagnées d une libération de chaleur (= énergie thermique). On dit qu il s agit de réactions «exothermiques» (du grec : exo «hors de» ; thermo «chaleur»). Une réaction chimique qui libère de la chaleur est une réaction exothermique. Les combustions sont des réactions exothermiques. Pour indiquer qu il s agit d une réaction exothermique, on note derrière l équation chimique le symbole Q (libération d une quantité d énergie). Exemple : Combustion complète du propane. C 3 H O 2 3 CO H 2 O - Q Par analogie, il existe des réactions chimiques qui n ont lieu qu avec un apport continu en énergie. Il s agit de réactions «endothermiques» (du grec : endo «en dedans» ; thermo «chaleur»). Dans ce cas, on utilise le symbole +Q (gain d une quantité d énergie). Une réaction chimique qui nécessite de l énergie est une réaction endothermique. Exemple : La photosynthèse se déroule uniquement avec un apport continue en énergie solaire. 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 + Q 18

19 III. Aspects énergétiques 2. Origine de l énergie thermique Pour bien comprendre le concept de l énergie, il faut savoir que celle-ci n est pas «produite» au sens strict du terme. L énergie thermique libérée lors d une combustion provient de l énergie chimique stockée dans les corps réagissants (réactifs). Par transformation des réactifs en produits, une partie de l énergie chimique est transformée en énergie thermique et libérée vers l extérieur. réactifs / énergie chimique produits énergie thermique L énergie chimique U est l énergie stockée dans les corps chimiques. Énergie chimique U U initiale réactifs La quantité d énergie thermique libérée Q est égale à la différence de l énergie chimique des produits U finale et des réactifs U initiale : U finale U produits U = U finale U initiale U = Q Les réactifs sont riches en énergie. Lors de la combustion, les réactifs se transforment en produits pauvres en énergie. Remarque: réaction exothermique: U < 0 réaction endothermique: U > 0 19

20 Énergie fossile III. Aspects énergétiques Il en résulte la Loi de la conservation de l énergie: L énergie ne peut ni être produite ni être détruite, elle peut seulement être transformée. 3. Exemple de transformations d énergie Le schéma ci-dessous indique la transformation de l énergie solaire en énergie électrique par différentes étapes. énergie solaire énergie chimique énergie thermique énergie électrique énergie mécanique Par photosynthèse, l énergie solaire est stockée sous forme d énergie chimique dans les végétaux. Cette énergie chimique peut être transformée en énergie thermique par combustion. L énergie thermique ainsi libérée peut être utilisée pour chauffer de l eau. La vapeur d eau produite fait alors tourner une turbine (énergie mécanique). Finalement le mouvement de rotation génère du courant électrique (énergie électrique). Malheureusement les transformations d énergie s accompagnent toujours de pertes plus ou moins importantes. Par exemple, l énergie thermique libérée lors de la combustion ne peut pas être transformée à 100% en énergie mécanique. Une partie de la chaleur est perdue (échauffement de l air ambiant, frottements ). 20

21 III. Aspects énergétiques On appelle rendement énergétique, le pourcentage d énergie utilisable à partir d une certaine quantité d énergie mise à disposition. Exemple : Le rendement d un moteur à combustion est de 25%. Ceci signifie que 75% de l énergie mise à disposition sous forme d énergie chimique stockée dans l essence est perdue et n est pas transformée en énergie mécanique (cinétique). 4. L énergie, une quantité mesurable L unité du système international pour mesurer l énergie est le Joule (J). L énergie électrique est exprimée plutôt en kilowattheure (kwh). 1 kwh = J = kj (kilojoule) = 3,6 MJ (Mégajoule) Ordres de grandeur : 1 J : 1 à 2 battements du cœur humain 1 kj : combustion d une allumette 300 MJ : trajet en voiture de Luxembourg à Clervaux Le système international des unités S.I. regroupe les 7 unités de base à partir desquelles toutes les autres unités peuvent être déduites: - mètre (m) - kilogramme (kg) - seconde (s) - Ampère (A) - Kelvin (K) - mole (mol) - candela (cd) Exemple: 1 J = 1 kg m 2 s -2 La calorie (cal) est une unité d énergie qui ne fait pas partie du système international. La calorie est essentiellement utilisée en diététique (kcal). 1 kcal = 1000 cal 1 cal = 4,18 J 21

22 III. Aspects énergétiques Exercices 10. La respiration humaine Voici l équation de la respiration humaine : C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O a. Cherchez au moins un argument qui permet de déterminer s il s agit d une réaction exo- ou endothermique. b. Dessinez un diagramme énergétique indiquant les réactifs et les produits. 11. Le dihydrogène Le dihydrogène (H 2 ) est un gaz incolore et inflammable. Ce gaz peut être produit à l aide de l électrolyse de l eau. En gagnant de l énergie électrique, l eau se dissocie et forme du dihydrogène et du dioxygène. a. Etablissez l équation équilibrée. Déterminez s il s agit d une réaction exo- ou endothermique. Le dihydrogène ainsi produit peut entrer en combustion. Il réagit avec le dioxygène pour former de l eau. b. Etablissez l équation équilibrée. Déterminez s il s agit d une réaction exo- ou endothermique. c. Dessinez un schéma en indiquant le(s) corps riche(s) et pauvre(s) en énergie lors de l électrolyse de l eau. Nommez le(s) réactif(s) et le(s) produit(s). d. On consomme 10 kj d énergie électrique pour produire une certaine quantité de dihydrogène à l aide de l électrolyse. Quelle est l énergie libérée théoriquement par la combustion de cette quantité de dihydrogène? e. L utilisation du dihydrogène comme alternative aux carburants fossiles est envisageable. En effet, la réaction de combustion du dihydrogène libère de l énergie en ne produisant aucun gaz nocif. Néanmoins, il existe un désavantage au niveau du rendement énergétique. Expliquez! 12. Combustion du charbon Calculez la quantité d énergie libérée lors de la combustion de 2,3 kg de charbon. Donnez le résultat en kwh. 22

23 III. Aspects énergétiques 13. Consommation d énergie électrique Sachant qu un ménage à deux personnes consomme une quantité d environ 2500 kwh d énergie électrique par année, calculez l équivalent de bois qu il faudrait brûler pour libérer cette énergie. 14. Trajet Luxembourg-Strasbourg Calculez l énergie (en J et kwh) qui est libérée par l essence lorsque vous faites le trajet Luxembourg-Strasbourg en voiture. - consommation moyenne d essence : 7L/100km ; - distance parcourue : 220 km - masse volumique (essence) : 0,79 g/ml 15. Production d hydrocarbures Il est possible de produire artificiellement des hydrocarbures. Expliquez pourquoi une telle production ne présente guère d avantages. 16. Charbon et bois Comme le bois, le charbon a stocké de l énergie solaire. Or la quantité d énergie libérée par le charbon vaut le double de celle du bois. Trouvez une explication! 17. Transformateurs d énergie Indiquez pour les transformateurs d énergie dans le tableau ci-dessous, les formes d énergie transformées. Trouvez sous quelles formes l énergie est perdue. Tableaux indicatifs: Transformateurs d énergie Rendement énergétique (%) Combustible Quantité d énergie MJ/kg Générateur électrique 99 Moteur électrique 90 Pile 90 Batterie voiture 70 Moteur Diesel 40 Centrale thermique 40 Moteur à essence 25 Locomotive à vapeur 10 Lampe à incandescence 5 Méthane 50 Propane 90 Essence 90 Mazout 70 Charbon 40 Bois sec 40 23

24 POUR EN SAVOIR PLUS Le moteur à essence Le moteur à essence permet entre autres de faire avancer les voitures. Il fait partie, comme le moteur Diesel, des moteurs à combustion. Dans le cylindre, un mélange essence-air est aspiré et comprimé par le piston. Après la compression, une étincelle produite par la bougie conduit à l explosion du mélange. L énergie libérée pousse le piston rapidement vers le bas. De cette façon, l énergie thermique est transformée en énergie mécanique faisant tourner le vilebrequin qui entraîne la rotation des roues de la voiture. Le piston monte à nouveau pour faire sortir les gaz d échappement. Puis, le cycle recommence. Le fonctionnement se base sur un cycle à 4 étapes : admission, compression, combustion, échappement C est ainsi que le moteur à essence est un moteur à 4 temps er temps: admission 2 ème temps: compression 3 ème temps: combustion 4 ème temps: échappement 1: soupape d admission 2: soupape d échappement 3: conduit d admission 4: conduit d échappement 5: bougie 6: piston 7: cylindre 8: bielle 9: vilebrequin Exercice : Cherchez des informations concernant le fonctionnement du moteur Diesel. Faites un schéma annoté. Quelle est la différence fondamentale par rapport au moteur à essence? 24

25 POUR EN SAVOIR PLUS La centrale thermique à carburants fossiles Des centrales thermiques à carburants fossiles sont utilisées pour transformer de l énergie thermique en énergie électrique. On connaît des centrales thermiques fonctionnant au charbon, au gaz ou au pétrole. Voici le schéma d une centrale : Le carburant est conduit (1) dans un réacteur (2) dans lequel il entre en combustion. L énergie thermique libérée est utilisée pour chauffer de l eau dans un circuit primaire (3). La vapeur d eau ainsi formée entraîne la rotation d une turbine (4) liée à un générateur électrique (5). Celui-ci génère de l électricité. Un circuit secondaire de refroidissement (7) est souvent alimenté par un fleuve (8). Cette eau permet de refroidir la vapeur d eau du circuit primaire dans un condensateur (9). L eau ainsi formée est de nouveau conduit dans le réacteur pour être chauffée. L eau du circuit secondaire, chauffée par la condensation de la vapeur d eau du circuit primaire, est à nouveau refroidie dans la tour de refroidissement (6). De l autre côté, les gaz produits lors de la combustion sont transportés dans une installation (10) de filtration. Ici on élimine les produits nocifs, tels que les oxydes de soufre, les oxydes d azote et les particules de suie. Le reste des gaz d échappement, notamment le dioxyde de carbone, est dégagé par une cheminée (11) dans l atmosphère. Une centrale thermique «produit» en moyenne 1500 MWh par jour. 25

26 Énergie fossile IV. Le dioxyde de carbone Le dioxyde de carbone joue un rôle fondamental dans l atmosphère. Il participe par exemple à la photosynthèse des plantes et stabilise la température moyenne de notre planète. La teneur du dioxyde de carbone dans l atmosphère varie entre 0,035 et 0,040 %. 1. Propriétés du dioxyde de carbone Propriétés physiques: gaz inodore, incolore à saveur piquante masse volumique: ρ(co2) = 1,98 g/l (à 0 C et 1013 hpa), le CO2 est plus dense que l air (ρ(air) = 1,29 g/l) solubilité: 88 ml dans 100 ml eau à 20 C non liquéfiable à pression atmosphérique, le gaz resublime à 78 C et forme le solide (neige carbonique) Propriétés chimiques: ininflammable n entretient pas la combustion asphyxiant mais non toxique neige carbonique (all.: Trockeneis) extincteur CO2 les boissons pétillantes contiennent du CO2 26

27 IV. Le dioxyde de carbone 2. Le cycle du dioxyde de carbone Sans l influence anthropogène (de l homme), la teneur en dioxyde de carbone reste plus ou moins constante dans l atmosphère. Néanmoins, le gaz est régulièrement échangé : il s agit d un équilibre dynamique et non statique. combustion déforestation volcanisme respiration photosynthèse dégazage respiration dissolution photosynthèse sédiments carburants fossiles décomposition sédimentation Normalement le cycle du dioxyde de carbone est en équilibre dynamique. Aux processus produisant du CO 2, succèdent des processus consumant du CO 2. Processus produisant du CO 2 : la respiration des êtres vivants sur le continent et dans les océans. Les éruptions volcaniques libèrent du dioxyde de carbone stocké dans les sédiments (minéraux). L eau des océans contient du CO 2 dissous. Dans les régions plus chaudes des océans, une partie du dioxyde de carbone est libérée dans l atmosphère; on parle du dégazage des océans. 27

28 IV. Le dioxyde de carbone Processus consumant du CO 2 : la photosynthèse des végétaux sur le continent et dans les océans. la dissolution du CO 2 dans les mers : Dans les régions plus froides des océans, une partie du dioxyde de carbone de l atmosphère est dissoute dans les eaux. la sédimentation : Une partie du dioxyde de carbone est fixée dans des minéraux (p.ex. : CaCO 3 ), qui se déposent au fond des océans et dans l écorce terrestre. Les éruptions volcaniques rejettent de nouveau le dioxyde de carbone stocké dans les minéraux. Influence de l homme Depuis des centaines d années, l homme a fortement contribué à une augmentation du dioxyde de carbone dans l atmosphère par la combustion des carburants fossiles et par une déforestation excessive. L équilibre est rompu de deux façons: la combustion augmente directement la quantité de dioxyde de carbone et, d une façon indirecte, la disparition des forêts réduit la quantité de CO 2 qui peut être fixée par photosynthèse. Il faut des millions d années pour former des carburants fossiles à partir de la décomposition d organismes, alors que les hommes brûlent les carburants à l échelle de quelques siècles: l équilibre est forcément rompu! A priori, l augmentation du dioxyde de carbone dans l atmosphère ne présente pas de danger immédiat ; il s agit d un gaz non toxique. Mais de façon indirecte, le CO 2 contribue à l augmentation de la température moyenne de la planète par effet de serre et peut ainsi être à l origine de changements climatiques dramatiques. 28

29 POUR EN SAVOIR PLUS Équilibre statique et dynamique Le récipient 1 contient une certaine quantité d eau qui reste constante. On dit que la quantité d eau est en équilibre statique. Le récipient 2 contient la même quantité d eau qui est en équilibre lorsque la quantité d eau ajoutée est identique à la quantité d eau sortant du récipient. Il s agit d un équilibre dynamique. récipient 1: équilibre statique récipient 2: équilibre dynamique CCS CCS (Carbon capture and storage) est une nouvelle technologie qui a pour but de capter et d enfermer le dioxyde de carbone issu de centrales thermiques à carburants fossiles dans des cavernes souterraines. Surtout les anciens gisements de gaz naturel et de pétrole s avèrent idéales pour séquestrer le CO 2. Or à l heure actuelle, cette technologie n est guère au point et il faudra encore attendre des années pour savoir s il s agit d une option réalisable et rentable. Il y a surtout des doutes au niveau de la sécurité: un dégagement spontané d une grande quantité de dioxyde de carbone à partir d un site de stockage peut représenter un danger mortel pour la population locale. 29

30 IV. Le dioxyde de carbone 3. L effet de serre L effet de serre est un phénomène tout à fait naturel et indispensable. Il maintient la température moyenne de la planète à 15 C au lieu de -18 C. L évolution de la vie, telle que nous la connaissons, n aurait pas été possible à une température moyenne tellement basse. Une partie des radiations solaires envoyées sur la Terre est réfléchie par les nuages. Les rayons restants sont absorbés par l atmosphère et par le sol. Le sol est ainsi chauffé et émet à son tour des rayons infrarouges. Les molécules d eau et les molécules de dioxyde de carbone dans l atmosphère retiennent une partie des rayons infrarouges émis : l atmosphère est chauffée. La vapeur d eau et le dioxyde de carbone sont des gaz à effet de serre. C est ainsi qu une élévation de la quantité de dioxyde de carbone dans l atmosphère entraîne une augmentation des rayons infrarouges retenus. Les scientifiques craignent qu une telle intensification de l effet de serre puisse provoquer une hausse sensible de la température moyenne avec des conséquences sérieuses pour le climat mondial. 30

31 IV. Le dioxyde de carbone Exercices 19. Solubilité des gaz dans l eau Quel facteur influence le dégazage et la dissolution du CO 2 dans les mers? Formulez la règle générale sur la solubilité des gaz dans l eau en fonction de ce facteur. 20. Plusieurs gaz à effet de serre Le dioxyde de carbone n est pas le seul gaz à effet de serre. Cherchez le nom et la formule chimique des autres gaz. Lors de quels processus, ces gaz sont-ils libérés dans l atmosphère? 21. Conséquences de l effet de serre Cherchez des conséquences possibles résultant d une intensification de l effet de serre. 22. Consommation d énergie Expliquez pourquoi une diminution de la consommation d énergie peut contribuer à une réduction de l effet de serre. 23. Solutions au problème Essayez de trouver des moyens pour enlever le CO 2 de l atmosphère. Analysez la réalisabilité de vos idées. 24. Solutions au problème II Essayez de trouver des moyens pour refroidir l atmosphère. Analysez la réalisabilité de vos idées. 25. Le biodiesel Le biodiesel représente une alternative aux carburants fossiles. Expliquez pourquoi il est préférable d utiliser du biodiesel au lieu des carburants fossiles, bien que sa combustion libère aussi du dioxyde de carbone. Quel est le problème majeur de l utilisation du biodiesel? 31

32 IV. Le dioxyde de carbone 4. Calcul stœchiométrique Lors de l étude du cycle du dioxyde de carbone, on s est rendu compte qu à l heure actuelle, la quantité de CO 2 libérée dans l atmosphère est supérieure à la quantité de CO 2 consommée. Pour pouvoir tirer une telle conclusion, il faut évidemment pouvoir calculer la quantité de CO 2 échangée au cours des différents processus. L étude du calcul de quantités à l aide d équations chimiques fera l objet du paragraphe suivant. En chimie on parle du calcul stœchiométrique. En chimie, le calcul stoechiométrique (du grec: stoicheion «élément» et metrein «mesure») permet de calculer la quantité des réactifs consommés ou de produits formés lors d une réaction chimique. Exemple-type: Calcul de la quantité de CO 2 émis lors de la combustion complète d un kilogramme d heptane. D après ce que nous avons vu jusqu à présent, il est facile d établir l équation équilibrée de la combustion complète de l heptane : C 7 H O 2 7 CO H 2 O L équation chimique nous indique le nombre de molécules de dioxyde de carbone formées à partir d une molécule d heptane. Par contre, on ne trouve pas d indication par rapport à une masse. Il faudra donc trouver un lien entre le nombre de molécules et la masse. Il est évident qu un atome (ou une molécule) a une masse. Or, cette masse est tellement petite qu il est impossible de la déterminer par pesée directe. Pour obtenir une masse «pesable», il faut réunir un nombre extrêmement grand d atomes ou de molécules. En pratique, on utilise le nombre de (six cent milliards de billions). A cette quantité, on attribue le nom de «mole». Comme une douzaine correspond à 12 entités, une mole correspond à entités. La mole (unité mol) est une unité de compte. 1 mol = entités 32

33 IV. Le dioxyde de carbone Tableau périodique des éléments: Ce nombre n est pas choisi arbitrairement mais de façon à ce qu une mole d atomes ait une masse correspondant à la masse atomique exprimée en grammes. Cette masse peut facilement être lue dans le tableau périodique des éléments. (TPE) Exemples : Nombre de moles Nombre d entités Masse 1 mol Mg atomes 24,3 g 1 mol S atomes 32,1 g 1 mol Fe atomes 55,8 g 1 mol Cu atomes 63,5 g 33

34 IV. Le dioxyde de carbone La masse d une mole est appelée masse molaire. Elle est exprimée en unité g/mol et on utilise le symbole M. Elément chimique magnésium soufre fer cuivre Masse molaire M(Mg) = 24,3 g/mol M(S) = 32,1 g/mol M(Fe) = 55,8 g/mol M(Cu) = 63,5 g/mol La masse molaire peut être facilement calculée pour n importe quel corps chimique si on connaît sa formule. Il ne faut qu additionner les masses des atomes formant le corps en question. Exemples : - M(H 2 O) = 2 M(H) + M(O) = = 18 g/mol - M(CO 2 ) = M(C) + 2 M(O) = = 44 g/mol - M(C 6 H 12 O 6 ) = 6 M(C) + 12 M(H) + 6 M(O) = = 180 g/mol - M (C 2 H 6 O) = 2 M(C) + 6 M(H) + M(O) = = 46 g/mol 34

35 IV. Le dioxyde de carbone Formule reliant masse, nombre de moles et masse molaire : Connaissant la masse molaire d un composé, on peut établir une relation entre le nombre de moles et la masse. M(H 2 O) = 18 g/mol Masse d une mole d eau : m = 1 18 (= 18 g) Masse de deux moles d eau : m = 2 18 (= 36 g) Masse de trois moles d eau : m = 3 18 (= 54 g) On en déduit la formule générale : m= n M avec: m = masse (g) M = masse molaire (g/mol) n = nombre de moles (mol) Le nombre de moles est appelé quantité de matière. L unité utilisée est «mol» et le symbole est «n». Exemples : - Calcul de la masse de 3 mol de soufre. n(s) = 3 mol m(s) = n(h 2 O) M(H 2 O) m(s) = 3 mol 32,1 g/mol m(s) = 96,3 g m = n M - Calcul de la quantité de matière de 8 g de dioxyde de carbone. m(co 2 ) = 8 g n(co 2 ) = m(co 2 ) / M(CO 2 ) n(co 2 ) = 8 g / 44 g/mol n(co 2 ) = 0,18 mol n = m / M De cette façon on a trouvé le lien entre le nombre de molécules, c.à.d. entre la quantité de matière (nombre de moles) et la masse! 35

36 IV. Le dioxyde de carbone Exemple-type Calcul de la quantité de CO 2 émis lors de la combustion complète d un kilogramme d heptane 1 ère étape : établir l équation équilibrée C 7 H O 2 7 CO H 2 O 2 ème étape : lire l équation en termes de moles 1 mol C 7 H mol O 2 7 mol CO mol H 2 O 3 ème étape : trouver l information souhaitée La combustion d 1 mole d heptane conduit à la formation de 7 moles de dioxyde de carbone. 4 ème étape : transformer la donnée exprimée en masse en quantité de matière 5 ème étape : trouver la quantité de matière du corps cherché 1 mol C 7 H 16 7 mol CO 2 10 mol C 7 H mol CO 2 6 ème étape : transformer la quantité de matière en masse m(co 2 ) = n(co 2 ) M(CO 2 ) <=> m(co 2 ) = 70 mol 44 g/mol <=> m(co 2 ) = 3080 g Donc la combustion d un kilogramme d heptane produit 3,08 kg de CO 2. 36

37 IV. Le dioxyde de carbone Schéma récapitulatif: Exercices 26. Calcul de la masse de dioxyde de carbone Calculez la masse de dioxyde de carbone produite lors de la combustion complète de 1,5 L d octane. (ρ octane =0,7 g/ml) 27. Calcul de la masse de dioxygène Calculez la masse de dioxygène consommée lors de la combustion incomplète de 45 g de propane. 28. Calcul de la masse de dioxyde de soufre Une essence (on suppose qu elle soit formée exclusivement d heptane) contient 2% en masse de soufre. Calculez la masse de dioxyde de soufre formée par la combustion de 50 L d essence. (ρ heptane =0,7 g/ml) 37

38 Énergie nucléaire OBJECTIFS Après l étude de ce chapitre, il faut être en mesure de: citer les différentes sources d énergies exploitables connaître l origine des carburants fossiles connaître la composition des carburants fossiles savoir réaliser et décrire des expériences susceptibles de mettre en évidence les éléments contenus dans les hydrocarbures donner la définition des hydrocarbures représenter les molécules de corps chimiques en connaissant la formule chimique donner la formule chimique d un corps chimique en connaissant la représentation savoir les noms et les formules chimiques des 10 hydrocarbures les plus simples expliquer le principe de la distillation fractionnée (+ schéma) donner la définition d une combustion en général connaître la différence entre combustion complète et incomplète savoir réaliser et décrire des expériences susceptibles de mettre en évidence les corps chimiques intervenant dans les combustions savoir établir les équations de combustion savoir établir des équations chimiques à partir d un texte savoir équilibrer des équations chimiques donner les définitions de réactions exo et endothermique dresser un diagramme énergétique d une réaction chimique donner la définition du rendement énergétique d énoncer la loi de la conservation de l énergie donner des exemples de transformations d énergie donner l unité de mesure de l énergie (J et kwh) citer les propriétés du dioxyde de carbone expliquer le cycle du dioxyde de carbone expliquer l effet de serre réaliser des calculs stœchiométriques simples définir «mole» définir «masse molaire» 38