Molécules (3) – Bioplastiques

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier molecules (3)).

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Le chantier porte sur les bioplastiques. Les plastiques classiques génèrent des pollutions marines considérables et leur recyclage reste encore très partiel. Peut-on espérer quelques alternatives avec les plastiques biodégradables ? La question donne lieu à controverses comme en témoignent un grand nombre de publications ou articles : le dossier [controverses] en donne quelques éléments. Ils peuvent servir de base à un débat contradictoire.

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Le document [bioplastiques.pdf] donne des éléments de vocabulaire et d’information.

bioplastiques

Trois documents de travail, comportant les consignes du travail individuel, sont proposés. La phase de travail individuel peut être suivie classiquement d’une mise en commun en petit groupe puis d’une récolte et discussion des propositions sous forme d’animation tableau.

[PLA.pdf] : étude de l’acide polylactique (PLA) avec une partie expérimentale et une interprétation des réactions de synthèse.

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[alginates.pdf] : les alginates obtenus à partir des algues permettent de réaliser des films plastiques. On pourra voir également sur ce même site le chantier [molécules (2) – Glucose].

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[polymeres.pdf] : à partir des formules de divers polymères on détermine le ou les monomères impliqués et les réactions chimiques concernées.

 

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Cinétique (5) – Catalyse

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https://www.cnrs.fr/cnrs-images/chimieaulycee/THEMES/catalyse/defini.htm

Cristaux de zéolithes sur une surface en alumine vus au microscope électronique. Les zéolithes sont des composés minéraux de synthèse voisins des argiles. Leur structure microporeuse et leurs propriétés acides en font des catalyseurs très utilisés dans l’industrie, notamment pour la transformation des hydrocarbures (pétrochimie). © CNRS Photothèque.

 

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Le terme de « catalyse ›› a été utilisé pour la première fois dans le sens moderne par Jöns
Jacob Berzelius en 1835. Mais le mode d’action des catalyseurs n’a été vraiment compris qu’après le développement de la cinétique chimique avec Wilhelm Ostwald (Nobel 1909). Un grand nom français : Paul Sabatier (Nobel 1912), auteur de << La Catalyse en Chimie Organique ››. Fritz Haber (Nobel 1918) a mis au point avant la guerre de 1914 un procédé à catalyse hétérogène permettant de synthétiser l’ammoniac (NH3) à partir d’hydrogène et de l’azote de l’air… et de cette façon permis à l’Empire allemand de prolonger son effort de guerre, car l’ammoniac, oxydé en nitrates, joue un rôle crucial dans la fabrication des explosifs. D’autres noms associés à la science des catalyseurs sont Irving Langmuir (Nobel 1932) ou Cyril Hinshelwood (Nobel 1956). […]

Société chimique de France. L’actualité chimique, mai 2002.

 

 

La vitesse d’une réaction peut être profondément modifiée par la présence d’une substance qui semble ne pas intervenir directement puisqu’on la retrouve inchangée en fin de réaction et qui agit généralement en faible proportion par rapport aux réactifs.

– Les catalyseurs sont des substances qui augmentent la vitesse d’une réaction.

– Les inhibiteurs diminuent la vitesse.

L’action du catalyseur s’explique par une diminution de l’énergie d’activation qui entraîne, à même température, une augmentation du coefficient de vitesse.

Maurice Griffé. Chimie.

 

 

appareil

https://fr.wikipedia.org/wiki/J%C3%B6ns_Jacob_Berzelius

histoire

Les caractéristiques générales de la catalyse sont maintenant bien définies. Une approche pluridisciplinaire associant les méthodes et techniques de la chimie physique, inorganique et organique, de la physique des surfaces et de la physique du solide et du génie chimique a permis d’établir le mécanisme de nombreuses réactions catalytiques : espèces intermédiaires, étapes élémentaires du cycle catalytique, caractéristiques des espèces ou sites actifs. La combinaison de cette connaissance scientifique et de techniques combinatoires permet d’accélérer la conception, l’optimisation et la fabrication de catalyseurs d’activité, sélectivité et stabilité optimales.

La science de la catalyse peut maintenant être considérée comme mature, ce qui ne l’empêche pas de continuer à innover, tant au niveau des concepts que des applications. À travers le développement de nouveaux catalyseurs, de nouvelles technologies pour leur préparation et leur mise en œuvre, cette capacité d’innovation devrait permettre de relever les grands défis de l’avenir que constituent la protection de l’environnement, l’amélioration de l’efficacité énergétique des procédés, la valorisation de nouvelles sources carbonées (biomasse).

Michel Guisnethttps://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/procedes-chimie-bio-agro-th2/catalyse-et-procedes-catalytiques-42325210/introduction-a-la-catalyse-j1200/

 

 

[…] Victor Grignard (École Supérieure de Chimie Industrielle de Lyon) et Paul Sabatier (Institut de Chimie de Toulouse) furent ainsi co-lauréats du prix Nobel en 1912. En particulier, Paul Sabatier fut récompensé pour ses travaux sur la « Méthode d’hydrogénation de composés organiques en présence de métaux finement divisés » ; il était le deuxième prix Nobel récompensant la catalyse hétérogène après F.W. Ostwald en 1909: « Un catalyseur est un corps qui accélère la vitesse d’une réaction sans apparaître dans les produits finaux. » […]

La catalyse en général, et hétérogène en particulier, est très rapidement devenue un outil essentiel pour le développement de la chimie industrielle. Actuellement, 85 % des procédés industriels utilisés de par le monde sont de nature catalytique, 15 % seulement de nature stœchiométrique ; la proportion est encore bien plus importante si l’on considère les quantités de produits générés. En effet, la catalyse est au cœur de la production de masse des produits issus du raffinage, de la pétrochimie, de la chimie des grands intermédiaires et des commodités. Les procédés actuels sont basés à 80 % sur la catalyse hétérogène, à 17 % sur la catalyse homogène et à 3 % sur la biocatalyse. […]

Les grandes tendances actuelles d’intervention de la catalyse hétérogène sont :

– la production de vecteurs énergétiques : carburants synthétiques et reformulés, biocarburants… ;

– la chimie nouvelle comme outil du développement durable : économie d’atomes et d’énergie, utilisation du carbone renouvelable ;

– la dépollution ; 

– les catalyseurs-réacteurs structurés du micron au millimètre pour l’intensification des procédés. […]

Parmi d’autres exemples, des mousses de carbure de silicium, excellent conducteur thermique très résistant à la corrosion et présentant des diamètres d’ouverture d’environ 300 µm, ont été enduites de catalyseur TiO2 pour des applications en catalyse liquide-solide. Dans un composant en silicium fabriqué avec les techniques de la microélectronique, chaque pilier de 5 x 60 µm a été recouvert d’un fin dépôt de γ-alumine (1 µm), sans bouchage du composant et sans sédimentation incontrôlée (figure 22). Cette alumine, un solide poreux très utilisé en catalyse, peut ensuite servir de support à des nanoparticules de platine afin de les stabiliser. Ce catalyseur est alors très performant dans des réactions très endothermiques de déshydrogénation en phase gazeuse.

 

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Bernard Coq (coordinateur). Matériaux catalytiques et catalyse hétérogène. L’actualité chimique – 2010.

 

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Les travaux de ce chantier portent sur l’interprétation de divers exemples de catalyses homogènes et hétérogènes. On aborde donc le rôle du catalyseur dans
la modification du chemin réactionnel, donc des espèces intermédiaires et des énergies d’activation
. Le sujet n’est évidemment pas traité de façon exhaustive (ni dans sa complexité théorique) : par exemple, la catalyse enzymatique ou la notion de sélectivité ne sont pas abordées ici.

 

Un partie expérimentale donne à observer, de façon qualitative, plusieurs exemples classiques de catalyse : [1-observations.pdf].

 

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Cinq travaux portent sur l’interprétation. La consigne de travail individuel est donnée dans chaque document de travail. On le prolonge naturellement par une mise en commun en petit groupe puis une collecte des propositions et discussion sous forme d’animation tableau.

 

– catalyse homogène de l’estérification par H+ : [2-esterification.pdf] ;

 

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– catalyses homogènes redox : [3-redox.pdf] ;

 

redox

– catalyse hétérogène de l’hydrogénation : [4-heterogene-1.pdf] ;

 

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– catalyse hétérogène de l’oxydation et la déshydrogénation : [5-heterogene-2.pdf].

 

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– photocatalyse de la décomposition de l’eau : [6-photocatalyse.pdf] et un corrigé [6-photo-corrige.pdf]. Ce contenu est également utilisé dans le chantier Dihydrogène.

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Cinétique (3) – Facteurs

Complexe activé

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Dans l’ouvrage de 1896* apparaît également une explication de la cause des vitesses des réactions : « Le fait qu’une réaction a besoin d’un certain temps pour s’accomplir démontre qu’à côté de la cause qui la produit, et que nous nommerons la force impulsive ou l’affinité, il y a une force retardatrice qui entre en jeu. » Parmi les facteurs explicatifs de cette force retardatrice, outre la probabilité de rencontre des molécules (autrement dit les chocs efficaces), on trouve l’orientation des molécules, la vitesse de déplacement des molécules dans le solvant et le déplacement (l’échange) d’atomes. Certains corps ou mélanges de corps peuvent ainsi exister dans un « état d’équilibre apparent ».

[…]

À la fin du XIXe siècle, les lois de vitesse ainsi que les notions d’ordre de réaction et de molécularité ont été établies sur des bases expérimentales et admises par la communauté des chimistes. Van’t Hoff puis Arrhenius, qui ont adopté l’hypothèse atomique, commencent à modéliser à l’échelle moléculaire en considérant que la vitesse d’une réaction est liée aux collisions ou chocs entre les molécules. Lors de l’étude de l’influence de la température sur la vitesse d’une réaction, Arrhenius introduit dans le processus de réaction un stade intermédiaire, l’état d’activation, dans lequel certaines molécules, au prix d’une certaine absorption d’énergie, se trouvent dans un état exceptionnel différent de l’état moyen des molécules normales.

* Van’t Hoff J.H. (1896), Leçons de chimie physique professées à l’Université de Berlin, Traduction française de M. Corvisy, Hermann, Paris, 1898.

Alain DUMON. La naissance des concepts de la cinétique chimique au XIXe siècle. L’actualité chimique.

 

 

https://www.cnrs.fr/cnrs-images/chimieaulycee/AUTRES/scientifiques/savants.htm

Jacobus Henricus VAN’T HOFF. Chimiste hollandais (1852-1911) – Prix Nobel de chimie en 1901. Premier Prix Nobel de chimie de l’Histoire, Van’t Hoff se fait remarquer dès ses 22 ans en publiant un mémoire expliquant la relation entre la structure des composés organiques et leur activité optique. Il propose également la géométrie tétraédrique du méthane et des composés apparentés. Il est ainsi, avec Achille Le Bel, un des principaux fondateurs de la stéréochimie. Ses études sur les relations entre température et vitesse de réaction poseront par la suite les bases de la cinétique chimique. Van’t Hoff reçoit son Prix Nobel pour la découverte des lois de la dynamique chimique et de la pression osmotique dans les solutions.

Svante August ARRHENIUS. Chimiste suédois (1859-1927) – Prix Nobel de chimie en 1903. Ses travaux sur la dissociation électrolytique constituent les bases de la chimie physique et de l’électrochimie. Il prouve que dans les solutions électrolytiques, les composés chimiques dissous sont dissociés en ions, même en l’absence de courant traversant la solution. Il démontre l’influence de la température et de la concentration des espèces activées sur la vitesse d’une réaction. La loi qui porte son nom met ainsi en évidence la variation de la constante d’équilibre d’une réaction chimique en fonction de la température. 

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 On étudie ici les facteurs, essentiellement la température et la concentration pour les réactions en solution, qui influencent la vitesse des réactions chimiques.

Une partie expérimentale qualitative permet d’observer les effets : [observations.pdf].

observer

Une construction théorique est abordée, avec notamment les notions de complexe activé, de choc efficace et de profil réactionnel : [interprétations.pdf]. Les documents [SN.pdf] et [mechanism.pdf] ainsi que des animations et diaporamas sont exploitables pour élaborer l’interprétation du rôle des facteurs cinétiques.

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Cinétique (2) – Iodométrie

H2O2

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https://fr.wikipedia.org/wiki/Peroxyde_d%27hydrog%C3%A8ne

Le peroxyde d’hydrogène possède à la fois des propriétés oxydantes par exemple vis-à-vis d’ions iodure et des propriétés réductrices par exemple vis-à-vis des ions permanganate. C’est un agent de blanchiment efficace. Il est utilisé comme antiseptique.

 

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Le peroxyde d’hydrogène a été isolé pour la première fois en 1818 par Louis Jacques Thénard en faisant réagir du peroxyde de baryum avec de l’acide nitrique. Le procédé a pu être amélioré en utilisant de l’acide chlorhydrique à la place de l’acide nitrique, suivi par l’ajout d’acide sulfurique pour précipiter le sulfate de baryum comme sous-produit. Le procédé Thénard est utilisé de la fin du xixe siècle jusqu’au milieu du xxe siècle.

 

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On étudie ici la cinétique d’oxydation des ions iodure par l’eau oxygénée (peroxyde
d’hydrogène) ; on procède par dosage en continu du diiode formé par le thiosulfate S2O32-.

 

 

Deux versions sont disponibles.

 

– Un travail classique avec l’énoncé du protocole et les questions d’exploitation : [1-iodométrie.pdf].

 

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– La même situation présentée sous forme d’élaboration de protocole : [2-iodométrie.pdf].

 

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Cinétique (1) – Conductimétrie

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Le terme de conductimétrie désigne une méthode de mesure des propriétés conductrices d’une solution qui permet notamment de déterminer la concentration des ions. La conductimétrie peut alors être mise en œuvre pour des titrages (par précipitation, échange de proton ou complexation par exemple). On peut aussi l’utiliser pour l’étude de la cinétique de certaines réactions.

Il s’agit ici du suivi d’une cinétique chimique par conductimétrie. La réaction, classique, concernée est la solvolyse du chlorure de tertiobutyle.

chlorure de tertiobutyle

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Trois formules sont proposées.

 

– Un travail de laboratoire présenté de façon classique : document [1-conductimetrie.pdf].

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– Le même sujet mais abordé sous l’angle de l’élaboration de protocole et de réflexion sur les questions théoriques abordables : document [2-conductimetrie.pdf] ; les propositions élaborées individuellement sont mise en commun en groupe puis mutualisées avec animation tableau.

 

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– La présentation du sujet sous la forme d’évaluation des compétences expérimentales (E.C.E.), comme outil d’entraînement à cette épreuve : document [3-conductimetrie.pdf].

 

conducti3

 

Des documents d’aide sont également disponibles : [conductivite.pdf], [solvant.pdf], [SN.pdf].

 

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SN

 

On trouvera aussi un sujet type bac  [probleme-solvolyse.pdf] et son corrigé, ainsi qu’une activité sous forme de vérification de document [solvolyse-verification.pdf].

 

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Des animations illustrent les mécanismes des substitutions nucléophiles : [SN1.swf], [SN2.swf], [profil1.swf], [profil2.swf].

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Titrages

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https://www.atlanticlabo-ics.fr/

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On aborde ici les titrages acido-basiques (échanges de protons). Il s’agit d’un travail préparatoire aux activités de laboratoire.

 

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Document de travail : [1-titrages.pdf]

 

La consigne donnée au document de travail est d’abord individuelle : il s’agit de mettre au point des protocoles de titrage d’acides ou bases de produits commerciaux. Trois méthodes sont envisagées et documentées : pHmétrie, conductimétrie et colorimétrie.

 

titrages

Les propositions élaborées sont mises en commun en petit groupe (ce qui peut donner lieu à la réalisation d’affiches de résumé) puis mutualisées en grand  groupe avec animation tableau.

 

Documents d’aide : [2-documents.pptx] ou [2-documents.pdf],ou bien 

[données.pdf] ; [vinaigre.pdf] ; [graphes.pdf] [exemples.pdf] indicateurs.pdf] ; [incertitudes.pdf].

 

données

vinaigre

indicateurs

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phmetrie2

graphe3

incertitudes

corrigegraphes

exemples

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