Chimie verte et nouveau procédé

Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet

Économiser les ressources et respecter l’environnement

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Sujet inédit

Exercice • 2,5 points

La chimie verte, apparue au début des années 1990, a pour but de « concevoir des produits et des procédés chimiques permettant de réduire ou d’éliminer l’utilisation et la synthèse de substances dangereuses ». Les synthèses doivent être réalisées dans le but de maximiser l’incorporation, dans le produit final, des matériaux utilisés au cours du procédé. La mise en œuvre de ce principe permet de minimiser la quantité des sous-produits de réaction qu’il faudrait traiter ou éliminer et donc de réduire la pollution à la source. À cette fin, de nouveaux indicateurs de l’efficacité des procédés ont été introduits, comme l’utilisation atomique et le facteur E.

L’utilisation atomique (ou économie atomique) est définie par :

$U A = \frac{M_{(produit recherché)}}{\sum_{j} M_{(produit j)}} = \frac{M_{(produit recherché)}}{\sum_{i} M_{(réactif i)}}$

Le facteur E est défini comme le rapport massique déchet/produit désiré :

$E = \frac{\sum_{j} M_{(déchet j)}}{M {}_{(produit désiré)}}$

D’où UA  $= \frac{1}{1 + E}$ .

Plus l’utilisation atomique est proche de 100 % et le facteur E proche de zéro, plus le procédé d’obtention du produit recherché est efficace.

Les « réactifs verts » sont des réactifs faiblement toxiques pour les humains et sans conséquences sur l’environnement. De nombreux efforts sont entrepris pour substituer des réactifs verts aux réactifs toxiques dans les synthèses industrielles.

L’eau, composé vert par excellence, est utilisée, par exemple, comme solvant de substitution de solvants organiques mais polaires.

Le CO₂ peut également être valorisé comme matière première. Il est aujourd’hui utilisé dans les industries agroalimentaire et chimique, pour des applications industrielles et pour la récupération assistée d’hydrocarbures. L’enjeu principal de la valorisation du CO₂ consiste à trouver de nouvelles applications utilisant cette molécule, tout en s’assurant d’un impact neutre sur l’environnement.

Les polyuréthanes représentent une part importante du tonnage de l’industrie des polymères. D’après une étude de l’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (ADEME), l’emploi des polyuréthanes dans le monde se répartit ainsi :

Le monomère uréthane, qui par la suite est polymérisé en polyuréthane, est obtenu à partir d’isocyanate, un intermédiaire très dangereux responsable de la plus grande catastrophe de l’industrie chimique au xx^e siècle à Bhôpal (Inde) en 1984.

L’isocyanate peut être obtenu de deux manières : le procédé 1 historique au phosgène et le procédé 2 Monsanto sans phosgène :

1. Identifier des sites donneur et accepteur d’électrons

1 Quels sont les groupes caractéristiques présents sur les réactifs du procédé 1 ?

2 Donner les formules de Lewis des deux réactifs utilisés dans le procédé 1. Identifier les sites donneur et accepteur pour chacun d’eux.

3 Relier par une flèche ces sites pour montrer la première étape du mécanisme réactionnel.

2. Étude de la réduction de la quantité de déchets

1 Calculer l’utilisation atomique et le facteur E pour les deux procédés avec R = CH₃.

2 Conclure en spécifiant plusieurs avantages de l’un des procédés.

3 Comment peut-on qualifier l’emploi de dioxyde de carbone dans ce cas ?

Données

Élément	C	O	N	H	Cl
Numéro atomique Z	6	8	7	1	17
Electronégativité χ	2,5	3	3,5	2,2	3,2
Masse molaire (g · mol^‒1)	12	16	14	1	35,5

Tout d’abord prenez le temps de lire attentivement le texte et les questions.

L’utilisation atomique, UA en abrégé, est le rapport de la masse molaire du produit recherché sur la somme des masses molaires de tous les produits qui apparaissent dans l’équation stoechiométrique.
Catastrophe de Bhôpal : l’explosion d’une usine Union Carbide (aujourd’hui Dow Chemical) de pesticides a dégagé 40 tonnes d’isocyanate de méthyle (

) dans l’atmosphère de la ville.

Partie 1

Polarisez les liaisons pour identifier les sites donneur et accepteur d’électrons.

Partie 2

Utilisez les définitions de UA et du facteur E pour déterminer leurs valeurs. Pour interpréter les résultats et énoncer les avantages, faites appel à vos connaissances et sachez extraire les informations utiles fournies dans le document.

Corrigé

1. Identifier des sites donneur et accepteur d’électrons

1 RNH₂ porte un groupe caractéristique amine présent dans les amines.

Le phosgène possède le groupe caractéristique carbonyle .

2 N a une structure électronique (K)²(L)⁵. Pour satisfaire à la règle de l’octet, il engendre trois liaisons et possède un doublet non liant.

O a la structure électronique (K)²(L)⁴. Pour satisfaire à la règle de l’octet, il engendre deux liaisons et possède deux doublets non liants.

Cl a la structure électronique (K)²(L)⁸(M)⁷. Pour satisfaire à la règle de l’octet, il engendre une liaison et possède trois doublets non liants.

D’après le tableau de données, on en déduit que :

N est plus électronégatif que H, il porte donc une charge partielle négative et H une charge partielle positive ;
l’oxygène est plus électronégatif que C, il porte donc une charge partielle négative et C une charge partielle positive.

3 Les flèches permettent d’expliquer la formation de la liaison N–C lors de la première étape du mécanisme.

Les flèches sont toujours orientées du site donneur (nucléophile) vers le site accepteur (électrophile).

2. Étude de la réduction de la quantité de déchets

1  $\begin{array}{l} U A (1) = \frac{M (RNCO)}{M ({RNH}_{2}) + M ({COCl}_{2})} = \frac{57}{31 + 99} = 0,44 \\ et E (1) = \frac{2 M (HCl)}{M (RCNO)} = \frac{2 \times 36,5}{57} = 1,3 \end{array}$

$\begin{array}{l} U A (2) = \frac{M (RNCO)}{M ({RNH}_{2}) + M ({CO}_{2})} = \frac{57}{31 + 44} = 0,76 \\ et E (2) = \frac{M (H_{2} O)}{M (RCNO)} = \frac{18}{57} = 0,32 \end{array}$

2 Pour la réaction (1), même si le rendement est de 100 %, seuls 44 % en masse des atomes des réactifs sont incorporés dans le produit final. Les 56 % qui restent constituent des déchets qu’il faut séparer puis traiter pour les recycler ou les détruire, avec un impact environnemental et financier important. Un procédé est d’autant plus efficace que son utilisation atomique UA est proche de 100 %.

Dans la réaction (2), 76 % des atomes des réactifs sont réutilisés dans le produit final, les déchets en constituent 24 %. Ce procédé est plus efficace.

Le facteur E de la réaction (1) est de 1,3. Il y a 1,3 fois plus de déchet, en masse, que de produit désiré. Mais un procédé est d’autant plus efficace que son facteur E est proche de 0.

Pour la réaction (2), E = 0,32. De plus, il se forme de l’eau, c’est-à-dire un produit vert par excellence alors que dans le procédé (1), il faut éliminer HCl.

Le procédé (2) présente donc plusieurs avantages et une meilleure efficacité avec la formation d’un déchet vert. Dans cette réaction, le phosgène très toxique est remplacé par CO₂, non toxique.

Ce procédé permet également au fabricant de réduire ses dépenses grâce à la diminution de la quantité de déchets (donc des frais de retraitement).

3 Le dioxyde de carbone est ici utilisé comme réactif, c’est donc une valorisation possible du CO₂.

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Chimie verte et nouveau procédé

1. Identifier des sites donneur et accepteur d’électrons

2. Étude de la réduction de la quantité de déchets

1. Identifier des sites donneur et accepteur d’électrons

2. Étude de la réduction de la quantité de déchets

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