1°l les Énergies fossiles et la pollution atmosphérique





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1°L

Les ÉNERGIES fossiles
et la pollution atmosphérique


Enjeux énergétiques planétaires 1




Compétences exigibles au BAC

 Dégager, dans un document, des enjeux planétaires énergétiques et les choix de société induits.
 Identifier, parmi les ressources énergétiques, les sources d'énergie fossile.
 Connaître les principaux produits de combustion du gaz naturel, du bois...
 Identifier dans un document les effets des polluants atmosphériques, les solutions de remédiation.




  1. Les énergies fossiles

1.1. Présentation

Consommation d’énergie en 2002, (Sources : CEA, Ministère de l’économie) :


1°/ Citer des ressources énergétiques que l’on peut qualifier d’énergie renouvelable. Pourquoi cette dénomination ?

Sources d’énergies renouvelables : Voir feuille statistiques et diaporama énergie et pollution.

l’énergie hydraulique (barrages, marémotrice utilisant le mouvement des masses importantes d’eau lors des marées)

l’énergie éolienne

l’énergie solaire

l’énergie géothermale (énergie des eaux chaudes naturelles de la Terre)

la biomasse (énergie stockée dans la matière vivante : le bois…)

l’énergie des déchets : l’énergie dégagée lors de l’incinération ou la fermentation des déchets.
Définition : Énergies renouvelables, énergies qui se renouvellent naturellement après avoir été consommées et sont donc inépuisables (sur de très grandes échelles de temps).
2°/ En vous aidant du document ci-dessus, regrouper les sources d’énergie qu’on peut qualifier d’énergie non renouvelable. Certaines correspondent dans ce cas à des sources d’énergies fossiles. Quelles sont-elles ? Pourquoi ?

Dans les énergies non renouvelables, sont regroupées l’énergie nucléaire et les énergies fossiles (charbon, pétrole et gaz naturel) .

Le charbon : résulte de l’accumulation de matières végétales qui se sont transformées, au fur et à mesure de leur enfouissement.

Le gaz naturel et pétrole : par la présence de mers qui recouvraient la plus grande partie de la Terre, il s’est produit une sédimentation progressive des organismes animaux et végétaux puis une lente dégradation bactérienne. Cela a conduit à l’accumulation d’hydrocarbures.
3°/ Le gaz naturel est constitué d’un mélange d’hydrocarbures mais qu’est-ce qu’un hydrocarbure ? Une fois traitée, on récupère, entre autres, un gaz dit « sec », quel est son constituant majeur ? A quelle famille appartient-il d’ailleurs ? Citer d’autres composés de la même famille.

Les hydrocarbures sont des composés formés de carbone et d’hydrogène.

Le constituant essentiel du gaz naturel est le méthane, appartenant à la famille des alcanes. Le propane, le butane font partie de cette même famille.

1.2. Les combustions de combustibles fossiles

Une combustion est la réaction chimique entre un combustible et un comburant.

Le comburant sera dans les réactions suivantes le dioxygène de l’air.

1°/ Combustion du carbone (charbon)


Accrocher un morceau de carbone au fil de fer du bouchon. Le porter à incandescence à l’aide du bec bunsen, puis l’introduire dans un flacon de dioxygène.

Qu’observe-t-on ?



Une fois la réaction terminée, introduire dans le flacon de l’eau de chaux. Boucher et agiter. Que se passe-t-il ? Qu’a-t-on pu mettre ainsi en évidence ?

L’incandescence se poursuit et est plus vive dans le flacon de dioxygène : il y a donc réaction entre le carbone et le dioxygène. Le gaz formé trouble l’eau de Chaux : c’est du dioxyde de carbone.

Le bilan de la transformation chimique peut s’écrire : .
2°/ Combustion du pétrole

On enflamme un peu d’essence de térébenthine placé dans une coupelle.

Qu’observe-t-on ? En déduire le composé formé.

On observe une fumée noire avec retombée de particules : la combustion du pétrole forme, entre autre, du carbone.
3°/ Combustion du gaz naturel

Allumer le bec bunsen, puis ouvrir la virole. Observer la couleur de la flamme. Placer une soucoupe propre et sèche au-dessus de la flamme quelques secondes, que peut-on constater ?

Il y a formation de buée.

Placer ensuite un verre-à-pied, mouillé préalablement avec de l’eau de Chaux, au-dessus de cette flamme. Que remarque-t-on ? En déduire les produits de la réaction entre le gaz et l’air.

L’eau de chaux se trouble, du dioxyde de carbone s’est formé.

Placer quelques secondes un récipient de verre rempli d’eau froide (pour ralentir l’échauffement de la surface) au dessus de la flamme du bec bunsen. Qu’observe-t-on ?

il apparaît de la buée à l’extérieur du récipient, de l’eau se forme.
Fermer maintenant la virole, la couleur de la flamme est-elle modifiée ? Placer à nouveau une soucoupe propre. Que se dépose-t-il ?

La flamme est maintenant jaune, du noir se dépose sur la coupelle, c’est du carbone.

Les ouvertures de la virole permettent une arrivée d’air qui se mélange au gaz. Qu’entraîne la fermeture de la virole ?

La fermeture de la virole entraine une réduction de l’arrivée d’air.

La combustion d’un combustible peut être qualifiée de complète ou incomplète. Attribuer le terme correct aux deux états de la virole.

S’il y a suffisamment d’air (et donc de dioxygène), la réaction entre le gaz naturel (méthane) et le dioxygène fournit de l’eau et du dioxyde de carbone, la combustion est complète. Sinon, la combustion est incomplète, il se forme toujours de l’eau mais aussi du carbone, du dioxyde de carbone en proportions variables et aussi du monoxyde de carbone, (gaz inodore, incolore et toxique responsable de plusieurs morts tous les hivers en raison de chaudières mal réglées ou mal ventilées)..

Combustion complète :

Combustion incomplète :
D’autres combustibles tels que le propane ou butane peuvent être utilisés (gaz en citerne ou bouteille mais la proportion de dioxygène nécessaire pour réaliser une combustion n’est pas la même suivant le combustible utilisé, c’est pour cette raison, qu’il faut changer l’injecteur de gaz dans les chaudières, cuisinières….si on modifie le gaz utilisé.

  1. Les polluants atmosphériques

Quelle est l’origine des polluants ?

90% de la pollution atmosphérique est due aux activités humaines (industries, circulation routière, centrales électrique thermiques, chauffage domestiques, incinérations des ordures ménagères….)

Les 10% restants ont des origines naturelles (volcanisme, orages, activités des micro-organismes…)

En ville, cette pollution vient de 70% du transport, 20% de l’industrie et 10% du résidentiel.

1.3. Gaz responsables de la pollution

Nom

Formule

Origine

Prévention et remèdes

Dioxyde de carbone



Combustion des combustibles fossiles

Biomasse

(transport routier 26%)

Diminuer l’utilisation des combustibles fossiles ou de la biomasse.

Il est naturellement recyclé par les plantes vertes.

Monoxyde de carbone



Combustion incomplète

Industries 25%

Gaz échappement des véhicules essences (transport routier 34%)

Bon réglage des appareils.

Pot d’échappement catalytique.

Dioxyde de soufre



Utilisation des combustibles fossiles soufrés (charbon, fuel, gazole)

Industrie

volcans

Diminuer la teneur en soufre des combustibles.

Traiter les rejets gazeux (filtres aux cheminées)

Oxydes d’azotes



Combustion des combustibles fossiles

Industries

Véhicules diesel et essence non catalysés (transport routier 48%)

Diminuer l’utilisation des combustibles fossiles.

Particules : Carbone ; hydrocarbures ; composés soufrés ; composés minéraux.

Moteur diesel

Poussière, pollen, résidus de combustion, procèdes industriels

(transport routier 33%)

Filtres sur les véhicules diesel.

Bon réglage des moteurs.

Ozone



Polluant secondaire qui se forme avec certains polluants cités ci-dessus sous l’effet du rayonnement solaire. Il est au niveau du sol

Méthane



Fermentation

élevage




CFC

Chlorofluorocarbones ou fréons

Réfrigérateur et climatiseur (43% dont 25% pour la clim des voitures), mousses isolantes (30%), nettoyants industriels (22%)

Récupération des CFC dans les réfrigérateurs usagers.

Abandon des CFC dans les bombes aérosols

1.4. Les pluies acides

Expérience 1 : sous la hotte, on place dans un têt à combustion de la poudre de soufre, on le porte à incandescence à l’aide du bec bunsen, puis on l’introduit dans un flacon de dioxygène.

Une fois la réaction terminée, on introduit dans le flacon de l’eau, on bouche, on agite et on mesure le pH à l’aide du papier-pH. (On aura relevé préalablement le pH de l’eau utilisée).

Observation : Il y a combustion du soufre dans le dioxygène avec formation d’un gaz incolore : le dioxyde de soufre, qui par dissolution dans l’eau, donne une solution très acide.

Expérience 2 : Dans un flacon contenant du dioxyde d’azote , on introduit de l’eau et on agite.

On mesure ensuite le pH du mélange.

Observation : le dioxyde d’azote, par dissolution dans l’eau, donne une solution acide.

Conclusion : Les oxydes de soufre dégagés dans l’atmosphère sont responsables avec les oxydes d’azote des pluies acides provoquant notamment la destruction de la faune et de la flore des rivières (mort des poissons pour un pH<5), des pierres calcaires. Le lessivage des sols par les pluies acides entraîne la diminution des ions calcium, magnésium, potassium nécessaires aux végétaux.

1.5. L’effet de serre et la destruction de la couche d’ozone

L’ozone (Sources : © Secrétariat de l'ozone 2004 (Nations unies pour l’environnement
et http://www.notre-planete.info/environnement/trouozone_0.php)

Une molécule d’ozone est composée de trois atomes d’oxygène. Ce gaz toxique est extrêmement rare dans l’atmosphère, où il ne représente que trois 10 millionièmes de molécules. Quatre-vingt dix pour cent de l’ozone se trouve dans la haute atmosphère, ou stratosphère, entre 10 et 50 km au-dessus de la terre. L’ozone présent à la surface du sol, dans les couches inférieures de la troposphère, constitue un polluant dangereux produit, notamment, par les gaz d’échappement des automobiles.

La couche d’ozone absorbe la plus grande partie des rayonnements dangereux, ou UV B, émis par le soleil. Elle oppose également un écran total au rayonnement mortel des UV C. Le bouclier que constitue l’ozone se révèle donc essentiel pour la vie, telle que nous la connaissons. La raréfaction de la couche d’ozone permet à une plus grande quantité de rayonnements UV B d’atteindre la terre. Cela se traduit par un accroissement des cancers de la peau autres que des mélanomes, des mélanomes malins, des cataractes, des déficiences du système immunitaire, la diminution des récoltes, des dommages causés aux écosystèmes océaniques, une baisse du rendement halieutique, des atteintes portées à la faune, et une altération des matières plastiques.

Les preuves scientifiques accumulées pendant les deux décennies d'études menées par la communauté internationale de recherche ont démontré que ce sont les produits chimiques fabriqués par l'homme qui sont responsables de l'appauvrissement de la couche d'ozone observé. Les composés appauvrissant la couche d'ozone contiennent divers mélanges de chlore, de fluor, de bromure, de carbone et d'hydrogène. Les gouvernements ont décidé de mettre fin éventuellement à la production des CFC, des halons, du tétrachlorure de carbone et du méthylchloroforme (sauf pour certaines utilisations spéciales) et les industries ont conçu des produits de remplacement plus écologiques.

Le Protocole de Montréal et de ses amendements, reconnus à l'échelle internationale, réglemente la production de CFC et d'autres substances qui appauvrissent la couche d'ozone. La production des substances qui appauvrissent le plus la couche d'ozone a été éliminée en 1996 dans la plupart des pays industrialisés (sauf pour quelques applications essentielles) et sera interrompue d'ici 2010 dans les pays en développement. En raison de ces mesures, les concentrations maximales de chlore en basse altitude pouvant être transportées dans la stratosphère ont déjà atteint leurs niveaux maximums. Les concentrations dans la stratosphère atteindront sans doute leur niveau maximum vers la fin de la décennie et commenceront à diminuer graduellement à mesure que les procédés naturels élimineront les substances appauvrissant la couche d'ozone. Tous les autres aspects étant conséquents, la couche d'ozone devrait se rétablir au cours des 50 prochaines années, si les accords internationaux sont respectés.

Questions :

1°/ Donner la formule moléculaire de l’ozone.



2°/ Quelle est la cause essentielle de la formation du « trou » d’ozone ?

Produit chimique contenant du chlore, du fluor, du brome…

3°/ Pourquoi parle-t-on parfois du « paradoxe de l’ozone » ?

L’ozone dans la stratosphère nous protège alors que l’ozone dans la troposphère est un polluant nocif pour l’homme.

4°/ Quelles peuvent être les conséquences d’une destruction de la couche d’ozone ?

accroissement des cancers de la peau autres que des mélanomes, des mélanomes malins, des cataractes, des déficiences du système immunitaire, la diminution des récoltes, des dommages causés aux écosystèmes océaniques, une baisse du rendement halieutique, des atteintes portées à la faune, et une altération des matières plastiques

5°/ Peut-on espérer, maintenant, une réduction immédiate de cette destruction ? Pourquoi ?

La réduction ne sera pas immédiate car les substances nocives n’ont pas encore atteint la stratosphère, leur concentration y sera maximale dans une dizaine d’année, et seulement ensuite elle baissera car l’homme en utilise moins Il faudra attendre 50 ans environ pour que la couche d’ozone se rétablisse.

L’effet de serre (Sources : CEA)

Qu'est-ce que l'effet de serre?

L'énergie solaire qui parvient au sol réchauffe la Terre et se transforme en rayons infrarouges. Comme les vitres d'une serre, d'où le nom donné à ce mécanisme, des gaz présents dans l'atmosphère piègent une partie de ces rayons qui tendent à la réchauffer. Ainsi, sans effet de serre, la température moyenne sur la Terre serait de et peu d'eau serait sous forme liquide. Cet effet a donc une influence bénéfique puisqu'il permet à notre planète d'avoir une température moyenne de 15° C.

Quel rapport entre effet de serre et réchauffement climatique ?

Le mécanisme d'effet de serre, en piégeant une partie des rayons infrarouges, permet à la terre d'avoir une température moyenne de 15°C et non de si celui-ci n'opérait pas. Cependant, depuis le début de l'ère industrielle, l'homme a rejeté dans l'atmosphère des gaz (dioxyde de carbone, méthane, oxydes d'azote, etc.) qui augmentent artificiellement l'effet de serre. Si cet ajout à l'effet de serre naturel est faible (environ +1 %), il est amplifié par la vapeur d’eau et a ainsi contribué à l'augmentation de la température moyenne de notre planète d'environ 0,5 °C observée dans la seconde moitié du vingtième siècle.

Quels sont les gaz participants à l'effet de serre?

Les plus abondants naturellement sont la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone et le méthane. Le protocole de Kyoto mentionne 6 gaz à effet de serre dus à l'activité humaine : le dioxyde de carbone , le méthane , l’oxyde nitreux , les hydrofluorocarbones ou HFC, les hydrocarbures perfluorés ou PFC et l’hexafluorure de soufre ou .
A noter : le dioxyde de carbone est à lui seul responsable de plus de 50 % de l'augmentation de l'ensemble des gaz à effet de serre. Il s'accumule dans l'atmosphère où sa durée de vie est de plusieurs siècles

Est-on sûr que la planète se réchauffe ?

Oui, la planète se réchauffe; la température a augmenté de 0,5°C au cours du dernier siècle. Selon le rapport du GIEC publié en janvier 2001, intitulé "Changement climatique 2001 : impacts, adaptation et vulnérabilité", le réchauffement de la planète pourrait atteindre 1,4°C à 5,8°C au cours du siècle à venir.

Trois éléments sont certains :

 La température moyenne augmente. La dernière décennie a été la plus chaude du millénaire, l'année la plus chaude étant 1998.
 La longueur des glaciers diminue.
 Les effets de phénomènes climatiques comme El Niño se font plus violents

(GIEC: Groupe intergouvernemental sur les changements climatiques)

Si l'effet de serre est un phénomène naturel, en quoi l'homme participe-t-il à l'augmentation de ce phénomène ?

En fait, les activités industrielles conduites par l'homme génèrent des quantités croissantes de "gaz à effet de serre". Des gaz qui, certes, permettent de produire l'effet de serre mais qui, en trop grandes quantités poussent la température globale à des niveaux artificiellement élevés qui altèrent le climat.

Qu'est-ce que le protocole de Kyoto ?

Ce protocole, signé en 1997, à Kyoto fixe des objectifs chiffrés de réduction des émissions de gaz à effet de serre afin de lutter contre le réchauffement climatique. Il impose depuis le 16 février 2005, date de sa mise en œuvre, à une trentaine de pays industrialisés d'atteindre les objectifs quantitatifs de réduction ou de limitation de leurs émissions de gaz à effet de serre.

Ainsi, au titre du Protocole de Kyoto, les pays industrialisés auront à ramener en deçà des niveaux de 1990 leurs émissions combinées des six principaux gaz à effet de serre, exprimées en équivalent d’après leur PRG, durant la période 2008-2012. L’Union européenne, par exemple, aura à baisser ses émissions combinées de 8% tandis que le Japon devrait réduire ses émissions de 6%.

A l'heure actuelle, seuls quatre pays industrialisés n’ont pas encore ratifié le Protocole de Kyoto : à savoir l’Australie, les États-Unis, le Liechtenstein et Monaco. L’Australie et les États-Unis ont indiqué qu’ils n’avaient pas l’intention de le faire; à eux deux, ils comptent pour plus d’un tiers des gaz à effet de serre du monde industrialisé.

Questions :

1°/ Compléter le schéma suivant, résumant ce qu’est l’effet de serre :



2°/ La vie serait-elle possible sans l’effet de serre ?

Sans effet de serre, la température sur la Terre serait trop faible pour permettre la vie.

3°/ Quel est le type de rayonnement solaire responsable de l’effet de serre ?

Les rayonnements infrarouges.

4°/ Quels sont les trois principaux gaz responsables de l’effet de serre ?

Vapeur d’eau, Dioxyde de carbone, méthane

5°/ Quels sont les répercussions du réchauffement climatique ?

Diminution de la longueur des glaciers, effets climatiques, élévation des niveaux de la mer…

6°/ Quelle réaction chimique est à l’origine de l’absorption du dioxyde de carbone par les forêts ?

La photosynthèse

7°/ Qui est à l’origine de l’augmentation de l’effet de serre ?

L’activité humaine par la combustion des combustibles fossiles. Voir graphique pour les secteurs économiques français. Voir ci-dessous.

8°/ Quels sont les pays qui émettent le plus de gaz à effet de serre ?

Les états unis et la chine sont les plus gros émetteurs de gaz à effet de serre.



1.6. Remèdes à la pollution

Par les accords internationaux (dont certains sont cités dans les études documentaires précédentes), les pays s’engagent à réduire la production de ces gaz polluants. Différentes méthodes peuvent intervenir, permettant ainsi la régulation de l’air :
Retirer la substance dangereuse avant la transformation ;

Retirer le polluant une fois qu’il s’est formé ;

Modifier le processus de transformation afin que le polluant ne se forme pas du tout ou très peu.

On peut réduire les polluants automobiles en rendant la combustion d’essence aussi complète que possible, en recyclant les vapeurs d’essence ou transformer les gaz brûlés en substances inoffensives par l’intermédiaire d’un convertisseur catalytique . Le pot catalytique, lui, permet, certes l’élimination des oxydes d’azote et la transformation des hydrocarbures non brûlés quand il est chaud mais rejette aussi du dioxyde de carbone : gaz à effet de serre ! et augmente la consommation de carburant. D’autres pistes doivent donc être trouvées pour obtenir une « vraie voiture propre ».

1°L

Les ÉNERGIES fossiles
et la pollution atmosphérique


Enjeux énergétiques planétaires 1



Élèves : par séance et par table

Prof : par séance

Pour la combustion du carbone dans le dioxygène :

1 flacon de dioxygène

1 bouchon avec fil de fer pour fixer du carbone

1 morceau de carbone (fusain ou charbon de bois)

Allumettes et bec bunsen

Eau de chaux (flacon élève)

1 soucoupe (pour placer au dessus d’une flamme)

1 verre à pied

1 bécher de 100 mL

Essence de térébenthine

1 coupelle pour enflammer l’essence de térébenthine

Allumettes
Combustion du soufre dans le dioxygène :

1 flacon de dioxygène

Soufre en poudre + spatule

1 bouchon avec un têt à combustion fixé sur fil de fer
Papier pH

Eau distillée

1 flacon de




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