1^er temps • présentation d’une question ⏱ 5 min

Les titres en couleur mettent en évidence la structure de la présentation.

Introduction

[Accroche] L’ibuprofène est un anti-inflammatoire synthétisé en quantités industrielles depuis 1960. Sa synthèse, en six étapes principales, produit énormément de déchets : les 13 000 tonnes d’ibuprofène fabriquées chaque année génèrent plus de 20 000 tonnes de déchets ! [Formulation de la problématique] Au début des années 1990, la société BHC a développé et mis en exploitation industrielle un procédé catalytique qui engendre une quantité beaucoup plus faible de produits secondaires. C’est pourquoi je tenterai de répondre à la question suivante : « En quoi la catalyse est-elle un pilier de la chimie verte ? » [Annonce du plan] Dans une première partie, je présenterai, succinctement, les procédés industriels et leurs inconvénients. Je poursuivrai en expliquant ce que sont la catalyse et la chimie verte, avant de montrer ce qui les relie.

I. Présentation des procédés industriels

L’industrie chimique a pour objectif la synthèse d’espèces chimiques dans des domaines variés : l’industrie pharmaceutique avec la fabrication de médicaments (ibuprofène, aspirine…), l’industrie cosmétique avec la fabrication des parfums, l’industrie agro-alimentaire avec la fabrication de conservateurs (acide benzoïque) ou d’arômes (esters), etc.

Tous ces procédés nécessitent un chauffage important et sont donc très gourmands en énergie : par exemple, l’industrie pharmaceutique a consommé près de 40 millions de tonnes équivalent pétrole (TEP) en 2021. Souvent, ces procédés durent plusieurs heures (20 heures pour la synthèse de l’aspirine) et comportent de nombreuses étapes, ce qui alourdit cette consommation d’énergie. Par ailleurs, la synthèse d’une espèce chimique génère nécessairement des sous-produits sans intérêt. Ainsi, la synthèse de l’aspirine produit aussi de l’acide éthanoïque.

[Transition] Face à ces nombreux inconvénients, l’industrie chimique se tourne vers la catalyse. Désormais, 90 % des procédés industriels l’utilisent et une vingtaine de laboratoires en France recherchent de nouveaux catalyseurs.

II. Définition de la catalyse et de la chimie verte

Je vais vous présenter brièvement les notions de catalyse et de chimie verte.

Un catalyseur est une espèce chimique ajoutée au mélange réactionnel pour accélérer une réaction chimique, sans modifier l’état final du système chimique. Il est consommé, puis régénéré.

Il existe trois sortes de catalyse : homogène, hétérogène et enzymatique.

La chimie verte est née vers 1995 pour limiter l’impact négatif de la chimie sur l’environnement et l’être humain. Son cadre, en 12 principes, a été défini par les chimistes américains Paul Anastas et John Warner.

[Transition] Maintenant que ces définitions sont posées, je vais vous montrer comment la catalyse apporte des solutions aux inconvénients présentés dans la première partie.

III. L’apport de la catalyse à la chimie verte

Tout d’abord, un catalyseur augmente la vitesse de réaction. Cela entraîne donc une réduction de la durée de la réaction, ce qui diminue le temps de chauffage et permet des économies d’énergie. Cet aspect est en accord avec le principe 6 de la chimie verte : « économiser de l’énergie ».

D’autre part, un catalyseur est sélectif. Alors qu’une réaction classique donne souvent des sous-produits non désirés, la présence d’un catalyseur favorise la formation du seul produit recherché. Il permet ainsi une meilleure utilisation des atomes des molécules de départ, qui se retrouvent tous dans le produit désiré et non dans les sous-produits qu’il faut séparer, isoler et éliminer. On utilise ainsi des réactifs en plus faible quantité de matière pour un même rendement. Cet aspect est en accord avec les principes 1 et 2 de la chimie verte : « prévenir les déchets » et « économiser la matière première : l’économie d’atomes ».

Enfin, un catalyseur n’est pas détruit, mais régénéré à la fin des différentes étapes du mécanisme réactionnel. Il peut donc être récupéré et recyclé pour une prochaine utilisation. Cet aspect est en accord avec le principe 1 de la chimie verte : « prévenir les déchets ».

Conclusion

[Bilan] Économies d’énergie, de temps et d’atomes sont des arguments en faveur des catalyseurs. Ils sont une solution à privilégier en matière de chimie verte.

[Ouverture] La catalyse, très utilisée depuis les années 2000, fait encore l’objet de nombreuses recherches prometteuses. Un exemple récent est celui de Frances Arnold, une chimiste américaine qui a travaillé sur la catalyse enzymatique pour mettre au point de nouvelles molécules biochimiques et a ainsi obtenu le prix Nobel de chimie en 2018.

Pour que la catalyse s’inscrive encore plus dans la chimie verte, les recherches portent également sur des catalyseurs qui miment des catalyses naturelles, pour éviter l’utilisation de catalyseurs à base de métaux lourds.

Support écrit

Un exemple pour l’industrie pharmaceutique :

2^e temps • Échange avec le candidat ⏱ 10 min

Voici quelques-unes des questions que le jury pourrait poser en lien avec votre présentation, ainsi que des réponses possibles.

Dans votre exposé, vous avez évoqué l’augmentation de la vitesse de réaction. Pouvez-vous nous citer d’autres facteurs cinétiques ?

Les deux facteurs cinétiques principaux sont la température du milieu et la concentration des réactifs, qui augmentent toutes deux la vitesse de réaction lorsqu’elles augmentent. On peut aussi citer la lumière ou encore la nature du solvant.

Pourriez-vous nous proposer une expérience mettant en évidence l’influence d’un catalyseur ?

Je vous propose de considérer la dismutation de l’eau oxygénée (ou peroxyde d’hydrogène H₂O₂) utilisée comme agent blanchisseur ou comme désinfectant. Cette réaction, très lente, a pour équation :

2 H₂O_2(l) → 2 H₂O_(l) + O_2(g).

On peut l’accélérer de différentes manières : par catalyse hétérogène en ajoutant un disque platiné ; par catalyse homogène en ajoutant quelques gouttes de chlorure de fer (III) ; ou par catalyse enzymatique en ajoutant un morceau de radis contenant de la catalase.

Dans ces trois cas, on constatera un dégagement beaucoup plus important de dioxygène O_2(g).

Vous parlez de synthèse de molécules organiques. Comment peut-on identifier un catalyseur dans un mécanisme réactionnel donné ?

Dans les différentes étapes du mécanisme réactionnel, un catalyseur est une espèce chimique qui peut être consommée à une étape, puis régénérée à une étape suivante.

Consommé, il apparaît du côté des réactifs d’une étape. Régénéré, il apparaît du côté des produits d’une étape suivante.

Dans l’équation bilan de la réaction, sa formule n’apparaît donc pas.

3^e temps • Échange sur le projet d’orientation ⏱ 5 min

Le jour J, il vous faudra bien sûr développer la réponse.

Comment avez-vous choisi votre sujet ? En quoi est-il en lien avec votre projet d’orientation ?

Depuis mon enfance, la chimie me passionne. Je demandais pour mes anniversaires les coffrets d’« Expériences du petit chimiste » !

En terminale, j’ai choisi les spécialités physique-chimie et SVT et, pour transformer ma passion en futur métier, je compte m’orienter vers une licence de chimie, parcours chimie et environnement, ou un BTS métiers de la chimie. Mais je n’ai pas encore d’idées précises de mon futur métier ; je me laisse le temps de la réflexion.