Chapitre 1 : les energies fossiles et la pollution atmospherique





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date de publication08.12.2019
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ENJEUX PLANETAIRES ENERGETIQUES

CHAPITRE 1 : LES ENERGIES FOSSILES ET LA POLLUTION ATMOSPHERIQUE



  1. LES ENERGIES FOSSILES




    1. Présentation


Répartition des ressources énergétiques utilisées en 1996 d’après le conseil mondial de l’énergie :



1

Energie renouvelable

2,30%

2

Energie nucléaire

4,50%

3

Energie hydraulique

5,80%

4

Biomasse traditionnelle

10,20%

5

Gaz naturel

19,30%

6

Pétrole

31,80%

7

Charbon

26,10%



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

  • 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 ?

  • 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.



Dans les sources d’énergies renouvelables, on trouve le bois (ou plus généralement la biomasse), l’énergie hydraulique, l’énergie marémotrice (utilisant le mouvement des masses importantes d’eau lors des marées), l’énergie éolienne et l’énergie solaire.
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 (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. Les combustions de combustibles fossiles




    1. Combustion du carbone (charbon)


Placer dans un têt à combustion de la poudre de carbone, le porter à incandescence à l’aide du bec bunsen, puis l’introduire dans un flacon de dioxygène.

Que peut-on observer ?

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 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 : carbone + dioxygène dioxyde de carbone



    1. Combustion du pétrole


Sur une soucoupe, verser de l’essence de térébenthine, placer une mèche constituée d’un morceau de coton et l’enflammer.

Que peut-on observer ? En déduire le composé formé.
On observe une fumée noire avec retombée de particules : la combustion du pétrole forme, entre autre, du carbone.


    1. Combustion du gaz naturel


Expérience avec le bec bunsen :

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

      • Fermer maintenant la virole, la couleur de la flamme est-elle modifiée ? Placer à nouveau une soucoupe propre. Que se dépose-t-il ?

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

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


Selon que la virole est ouverte ou fermée, l’arrivée d’air est modifiée.

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.

Remarque : du monoxyde de carbone (gaz très toxique) peut se former également au cours d’une combustion incomplète.

Combustion complète : Méthane + dioxygène eau + dioxyde de carbone

Combustion incomplète : Méthane + dioxygène eau + carbone


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 ATMOSPHERIQUES


2-1 Gaz responsables de la pollution
Par combustion des combustibles fossiles dans les véhicules à moteur ou les centrales thermiques classiques, par exemple, par certaines préparations industrielles, se forment du dioxyde de carbone, des oxydes de soufre et oxydes d’azote, responsables de la pollution atmosphérique.
2-2 Conséquences


  1. Les pluies acides (mettre le titre après l’expérience)


Expérience : 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).
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.
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. L’effet de serre et la destruction de la couche d’ozone


Etudes documentaires :

L’ozone (étude pouvant être évaluée)



La couche d’ozone est une partie de l’atmosphère située entre 20 et 50km au-dessus de la surface de la Terre, l’ozone correspondant à du trioxygène se forme par action de l’énergie solaire sur l’oxygène. Cette action se déroule depuis plusieurs années, mais les composés de l’azote présents habituellement dans l’atmosphère ont manifestement maintenu les concentrations à un niveau relativement stable. Des concentrations aussi élevées au niveau du sol seraient dangereuses pour la santé de l’homme car ce gaz irrite les yeux ainsi que les poumons et contribue à certaines maladies respiratoires telles que l’asthme et aux maladies cardio-vasculaires. On en retrouve, cependant, une quantité importante, notamment en été dans l’air pollué par un fort trafic automobile, produit alors par l’action du rayonnement solaire sur les gaz résiduels des pots d’échappement.

En haute altitude, la couche d’ozone protège la Terre en ne laissant parvenir qu’une partie des rayons ultraviolets du Soleil. Sa dégradation implique une moindre filtration et une élévation des risques pour la vie terrestre :

  • Augmentation des cancers de la peau, des cataractes, des maladies du système immunitaire ;

  • Réduction de la photosynthèse ; diminution des rendements et de la qualité des cultures, disparition du plancton, premier maillon des chaînes alimentaires aquatiques …


Si les savants connaissent depuis longtemps ce rôle protecteur, ce n’est que depuis les années 70 qu’il leur est possible d’observer précisément l’évolution chimique de la couche d’ozone. Leurs calculs, qui ne peuvent donc s’appuyer sur des comparaisons avec des époques antérieures, mettent du moins en évidence une tendance rapide à la diminution de la teneur en ozone. L’hypothèse aussitôt formulée est que l’on doit cette baisse aux émissions chimiques industrielles.

Un des composants chimiques vis à vis duquel l’ozone réagit le plus mal est le chlore, que l’on retrouve dans les chlorofluorocarbures d’abréviation CFC. Ces molécules de synthèse sont utilisées notamment dans les bombes aérosols, mousses synthétiques, appareils de réfrigération, extincteurs …Extrêmement stables, elles atteignent sans subir d’altérations les hautes altitudes où se trouve l’ozone. Là, sous l’effet des très basses températures, elles libèrent le chlore contenu en elles qui détruit l’ozone. D’autres gaz sont aussi responsables de cette destruction tels que le brome ou le gaz carbonique (dioxyde de carbone).
Dès 1980, à la conférence de Vienne, des mesures sont prises pour limiter la production des CFC, mais l’insuffisance de ces mesures est dénoncée par les médias quand en 1985, est divulguée la nouvelle de l’apparition « d’un trou d’ozone » au-dessus de l’Antarctique. Celui-ci se forme à l’époque du printemps et s’agrandit pendant plusieurs mois avant de se réduire. Il semble donc, à présent, que cette réduction soit due aux conditions climatiques, effectivement combinées avec l’effet produit par les CFC : sous l’effet du froid intense, les CFC libèrent les atomes de chlore qui ne commencent à détruire l’ozone que quelques mois plus tard, à la fin de l’hiver.
En 1987, un traité pour la protection de la couche d’ozone a été signé puis ratifié par 36 nations, et en 1989, l’Union Européenne a proposé en 1989 une interdiction totale de l’utilisation des CFC, approuvée par les Etats-Unis. Ainsi, depuis 1996, sont interdits la production et l’utilisation des CFC entre autres et plusieurs composés contribuant aussi à la destruction sont limités progressivement.
Questions :

  1. Quelle est la formule de la molécule d’ozone ?

  2. Pourquoi peut-on parler de « paradoxe de l’ozone » ?

  3. Quelles peuvent être les conséquences d’une destruction de la couche d’ozone ?

  4. Quelle est la cause de la formation du « trou d’ozone » ?

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


L’effet de serre (étude documentaire préparée à l’avance)



Outre l’air qu’il respire, l’homme doit à l’atmosphère l’équilibre thermique quasi-miraculeux qui a permis de voir la vie se développer sur la « planète bleue ». avec la destruction de la couche d’ozone, l’effet de serre dû au gaz carbonique apparaît aujourd’hui comme la grande menace qui pèse sur l’atmosphère.
L’effet de serre est un mécanisme naturel qui est à l’origine du climat tempéré dont jouit notre planète. L’atmosphère laisse pénétrer les radiations du Soleil qui, après avoir atteint la surface du globe terrestre, sont renvoyées dans l’espace. Différents gaz, notamment la vapeur d’eau, le gaz carbonique ou le méthane, influent sur ce mécanisme en retenant une partie des radiations solaires. Sans eux, la terre réfléchirait comme un miroir la plus grande partie des rayonnements qu’elle reçoit du soleil et la température de la planète serait plus basse d’au moins 15°C. Mais à l’inverse, une augmentation de ces gaz déterminerait un réchauffement.
Les gaz cités précédemment sont « naturels » mais les activités industrielles provoquent aussi des émissions massives de gaz carbonique, de méthane notamment ou d’autres gaz tels que le protoxyde d’azote (lors de combustions), les halocarbures (gaz comportant les éléments chlore, fluor …) qui absorbent très fortement les infrarouges et restent très longtemps dans l’atmosphère du fait de leur grande stabilité. Cette augmentation de gaz à effet de serre tend à rompre cet équilibre naturel pour conduire à un réchauffement de notre planète.
Les incidences du réchauffement climatique sont nombreuses :

  • Elévation du niveau des mers par fonte des glaciers et réchauffement des océans entraînant la disparition de certaines régions côtières ;

  • Vagues de chaleur plus intenses et longues dans certaines régions de la planète entraînant davantage de risques de disette alimentaire et famine ;

  • Augmentation de la fréquence et de la durée des grandes crues et des grandes sécheresses pour d’autres régions ;

  • Modification des courants marins, des effets de phénomènes climatiques comme El Niño se font plus violents…


Depuis 1992, avec la convention de Rio des accords internationaux sont mis en place en temps qu’action internationale de prévention du changement climatique. Entrée en vigueur en mars 1994, son objectif est la stabilisation des concentrations de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Les pays développés, l'Union européenne notamment s'engagent à stabiliser leurs émissions d'ici à l'an 2000 au niveau des émissions de 1990.
Jugés par la suite « inadéquats » la conférence de Kyoto a abouti à l’adoption d’un protocole qui fixe des objectifs chiffrés de réduction des émissions de gaz à effet de serre.
Il impose à 38 pays occidentaux et en transition vers l'économie de marché de réduire de 5,2 % en moyenne leurs émissions en 2008-2012, par rapport au niveau de 1990.
Ces objectifs chiffrés sont juridiquement contraignants pour les Etats signataires.
Il faut toutefois noter que le protocole n'entrera en vigueur qu'à la condition qu'avant 2002, il ait été ratifié par un nombre suffisant de pays (au moins 55 pays, dont 55 % de pays industrialisés).

Ce mécanisme de développement propre du protocole de Kyoto a pour objet d'une part d'aider les pays en développement à parvenir à un développement durable tout en contribuant à la stabilisation des gaz à effet de serre et d'autre part d'aider les pays développés de remplir leurs engagements chiffrés de limitation et de réduction de leurs émissions.
Ainsi, si un pays développé aide un pays en développement à mettre en place un mécanisme qui permet à ce pays de se développer de la façon la plus "propre" possible, le pays développé pourra déduire de ces émissions cette aide.

A partir du document et d’une recherche personnelle, répondre aux questions suivantes :


  1. Qu’est-ce que l’effet de serre ? En quoi consiste-t-il ?

  2. La vie serait-elle possible sans cet effet ?

  3. Donner des exemples de gaz à effet de serre.

  4. Quelles sont les répercussions du réchauffement climatique ?

  5. La planète se réchauffe-t-elle ?

  6.  Quels sont les pays qui émettent le plus de gaz à effet de serre?


La planète se réchauffe effectivement; la température a augmenté de 0,5°C au cours du dernier siècle.
Selon le rapport du Giec publié en janvier 2001, le réchauffement de la planète pourrait atteindre 1,4°C à 5,8°C au cours du siècle à venir.


Les Etats-Unis puis la Chine sont les plus gros émetteurs de GES.
2-3 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 : par exemple,

  • 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 mais rejettent aussi du dioxyde de carbone : gaz à effet de serre ! D’autres pistes doivent donc être trouvées pour obtenir une « vraie voiture propre ».





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