Introduction a la chimie verte
Icône de l'industrie de la chimie verte (Petmal, iStockphoto)
Icône de l'industrie de la chimie verte (Petmal, iStockphoto)
Quels sont les liens avec mon programme d'études?
La chimie verte est un domaine où les chimistes examinent l’impact environnemental et la durabilité des produits et des procédés chimiques artificiels.
Fais-tu du recyclage ou du compost? Éteins-tu les lumières en quittant une salle? Si oui, tu favorises la durabilité. Autrement dit, tu reconnais que les ressources naturelles sont limitées et tu veux assurer la santé de la planète à long terme.
Traditionnellement, en fabriquant des plastiques, des pesticides ou des médicaments, les chimistes se sont concentrés sur l’utilité des produits. Ils n’ont pas nécessairement réfléchi à la durabilité. En fait, beaucoup de ces produits (et les procédés qu’on utilise pour les créer) se sont avérés très nocifs pour l’environnement! C’est pourquoi le domaine de la chimie verte s’est développé au cours des 30 dernières années.
La chimie verte aide les chimistes à examiner la durabilité et les impacts environnementaux des produits et des procédés chimiques artificiels. Ainsi, on réfléchit aux impacts d’un produit chimique au laboratoire, au site d’élimination et dans le milieu où il est utilisé. Les 12 principes de la chimie verte offrent un moyen d’évaluer ces impacts. Examinons trois de ces principes en détail.
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Les douze principes de la chimie verte comprennent prévention des déchets, économie d’atomes, conception de méthodes de synthèse moins dangereuses, conception de produits chimiques plus surs, solvants et auxiliaires moins polluants, recherche du rendement énergétique, utilisation de ressources renouvelables, réduction du nombre de dérivés, catalyse, conception de produits en vue de leur dégradation, observation en temps réel en vue de prévenir la pollution et une chimie fondamentalement plus fiable.
Prévention des déchets
En fait, on peut appliquer ce principe dans plusieurs sphères de la vie et pas uniquement en laboratoire. Il correspond notamment au premier des trois R : réduire. Certes, il est important d’éliminer les déchets de façon appropriée. Mais il est encore mieux d’éviter de produire autant de déchets en premier lieu. Dans ta vie quotidienne, tu pourrais appliquer ce principe en essayant de produire moins de déchets domestiques. Les chimistes l’appliquent en essayant de produire moins de déchets chimiques.
Prenons l’exemple d’une voiture. Si tu crois que les voitures ne produisent pas de déchets, tu as tort. À l’intérieur du moteur, le carburant se mélange à l’oxygène de l’air et brûle. Ce processus de combustion produit l’énergie nécessaire au déplacement de la voiture. Mais il crée également des sous-produits nocifs. Par exemple, le monoxyde de carbone (CO) qui est toxique, alors que les composés organiques volatils (COV), les oxydes d’azote (NOX) et les hydrocarbures imbrûlés (HC) contribuent au smog, qui peut causer des maladies respiratoires.
Si on n’élimine pas ces sous-produits de la combustion, ils sont émis dans les gaz d’échappement. Heureusement, les voitures sont munies d’une technologie qui atténue ce problème. Pendant que le moteur tourne et avant que ces polluants sortent par le tuyau d’échappement, des convertisseurs catalytiques favorisent des réactions chimiques qui les transforment en molécules moins nocives comme l’oxygène (O2), l’azote (N2), le dioxyde de carbone (CO2) et l’eau (H2O).
Le savais-tu?
Le mot « smog » est une contraction des mots anglais « smoke » et « fog ». En effet, le smog ressemble à un mélange de fumée et de brouillard!
Économie d’atomes
Imagine que tu fais des biscuits. La recette dit d’utiliser une tasse de farine, mais tu en sors deux tasses du sac. Tu finis par mettre une tasse dans le bol et l’autre tasse dans la poubelle. Quel gaspillage!
Malheureusement, ce type de gaspillage peut se produire lorsque les chimistes fabriquent divers produits par réaction chimique. En examinant l’économie d’atomes, les chimistes verts cherchent à réduire la quantité de matière première utilisée pour créer le produit final.
Idéalement, les produits devraient avoir une économie d’atomes élevée. Ainsi, dans la mesure du possible, tous les ingrédients ajoutés lors d’un procédé chimique sont nécessaires à la création du produit final.
Par exemple, la réaction de synthèse qui se produit lors de la photosynthèse chez les plantes amène deux produits : le glucose (C6H12O6) et le gaz oxygène (O2). Si le glucose était le produit souhaité, l’oxygène gazeux serait alors considéré comme un produit résiduaire.
L’économie d’atomes de la photosynthèse
Étape 1 : Identifier les réactifs et les produits. Pour la photosynthèse, ce serait :
CO2 + H2O ---> C6H12O6 + O2
Étape 2 : Équilibrer l’équation chimique. Pour la photosynthèse, ce serait :
6CO2 + 6H2O ---> C6H12O6 + 6O2
Étape 3 : Déterminer les masses des réactifs et des produits en fonction de la masse atomique
CO2 = 6(44) = 264 C6H12O6 = 180
H2O = 6(18) = 108 6O2 = 6(32) = 192
Masse totale des réactifs = 372 Masse totale des produits = 372
Étape 4 : Déterminer le pourcentage de produit désiré (C6H12O6) (masse du produit désiré/masse totale de produits) x 100 180/372*100 = 48,4 %
Idéalement, les produits devraient avoir une économie d’atomes élevée. La majorité des ingrédients ajoutés lors d’un procédé chimique devraient être nécessaires à la fabrication du produit final.
Un exemple de chimie verte se trouve peut-être dans ton armoire à pharmacie : l’ibuprofène (la substance active dans Advil et Motrin). Le procédé initial qu’on utilisait pour fabriquer ce médicament était inefficace et entraînait beaucoup de gaspillage. Parmi les atomes utilisés dans la fabrication du produit, seulement 40 % faisaient partie du produit final. Dans les années 1990, le fabricant a mis au point un nouveau procédé en appliquant quelques principes de la chimie verte. Depuis ces améliorations, 77 % en font maintenant partie! En reconnaissance de sa contribution, cette entreprise a reçu l’un des prix Green Chemistry Challenge aux États-Unis en 1997.
Catalyse
Un catalyseur est une substance qui aide à amorcer ou à accélérer une réaction chimique. L’emploi des catalyseurs peut réduire les déchets ou augmenter l’économie d’atomes.
Prenons l’exemple du convertisseur catalytique, présenté ci-dessus. Comme son nom l’indique, le convertisseur contient un catalyseur. Celui-ci amorce la réaction qui convertit une partie des gaz toxiques en gaz moins nocifs.
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Le plus beau dans l’histoire, c’est que les catalyseurs ne sont pas épuisés au cours d’une réaction chimique! Ainsi, on peut les réutiliser et on n’a pas besoin de les remplacer.
Le savais-tu?
En 2001 et 2005, le prix Nobel de chimie a été décerné à des chimistes qui ont conçu des réactions plus efficaces. Ainsi, ces chimistes ont réalisé un des principaux objectifs de la chimie verte.
Des applications pratiques des principes de la chimie verte
En respectant les principes de la chimie verte, les chimistes peuvent rendre certains produits d’usage courant moins nocifs pour l’environnement. Par ailleurs, les fabricants peuvent réaliser des économies importantes, puisque la chimie verte prône des procédés plus efficaces qui gaspillent moins de matériaux, qui utilisent moins d’énergie et qui produisent moins de déchets dangereux à éliminer!
Le savais-tu?
Un exemple de chimie verte se trouve peut-être dans ton armoire à pharmacie : l’ibuprofène (la substance active dans Advil et Motrin). Avant les années 1990, la méthode qu’on utilisait pour fabriquer l’ibuprofène était inefficace et entraînait beaucoup de gaspillage. Mais une entreprise pharmaceutique a mis au point un nouveau procédé en appliquant les trois principes décrits ci-dessus. En reconnaissance de sa contribution au domaine de la chimie verte, cette entreprise a reçu un prix du président américain en 1997.
La chimie verte vise la durabilité. Même si tu n’es pas un chimiste vert, tu peux quand même suivre des pratiques durables dans ta vie quotidienne! Par exemple :
- Tu peux réduire les déchets.
- Tu peux faire du recyclage ou du compost autant que possible.
- Tu peux éliminer les déchets nocifs de façon appropriée, par exemple en recyclant les piles et les appareils électroniques aux endroits désignés. Tu peux également retourner les médicaments non utilisés à la pharmacie au lieu de les jeter.
- Tu peux réduire la consommation d’énergie à la maison en éteignant les lumières et en débranchant les appareils électroniques lorsque tu ne les utilises pas.
Enfin, les choix que tu fais en tant que consommateur peuvent avoir un grand impact. Achète des produits sans emballage superflu, moins nocifs pour l’environnement et fabriqués dans une optique de durabilité!
- Es-tu préoccupé par les déchets dans ton quotidien? Es-tu conscient des produits chimiques que tu jettes tous les jours?
- Que fais-tu pour recycler, réduire ou réutiliser afin de diminuer la quantité de déchets que tu produis?
- Crois-tu que les petits efforts que tu fais peuvent avoir une grande influence en termes de durabilité? Pourquoi, ou pourquoi pas?
- Pourquoi les fabricants pourraient-ils être intéressés par la mise en œuvre des procédés de la chimie verte?
- Comment l’utilisation accrue des principes de la chimie verte pourrait-elle affecter l’environnement?
- Définis la chimie verte.
- Qu’est-ce qu’un catalyseur?
- Quels principes directeurs de la chimie verte énoncés dans le graphique peuvent être appliqués à des produits tels que les plastiques biodégradables et les microplastiques?
- Quels problèmes, contraintes sociales et questions fondamentales influencent présentement la science de la chimie?
- Peux-tu penser à un principe ou procédé de la chimie verte qui a été signalé dans les médias? Le cas échéant, lequel était-ce?
- Crois-tu que les progrès de la chimie ou de la chimie verte attirent autant l’attention des médias que d’autres domaines scientifiques? Pourquoi, ou pourquoi pas?
- Cet article peut être utilisé pour appuyer l’enseignement et l’apprentissage de la chimie et des études environnementales liées aux sujets tels que les catalyseurs, la combustion, la stœchiométrie, les réactions d’oxydoréduction et la durabilité. Les concepts explorés comprennent la chimie verte, les catalyseurs et l’économie d’atomes.
- Après avoir lu cet article, les élèves pourraient compléter la stratégie d’apprentissage Toile de définition du concept pour les aider à mieux comprendre le terme chimie verte. Des fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
- Afin d’explorer les STSE de la chimie verte, les élèves pourraient faire une recherche sur une des initiatives de chimie verte; par exemple, l’utilisation de biopesticides au lieu des pesticides traditionnels, ou la conversion des résidus de la biomasse et de la cellulose en divers produits, notamment la nourriture pour animaux, les carburants et les produits chimiques industriels. Lorsque les élèves détiennent une certaine compréhension du projet choisi, ils pourraient déterminer ses forces et ses faiblesses en complétant la stratégie d’apprentissage Organisateur du pour et du contre. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
- Les élèves pourraient également étudier sous différents points de vue la mise en œuvre et les répercussions d’une initiative de chimie verte donnée, à l’aide de la stratégie d’apprentissage intitulée Enjeux et parties prenantes. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
Faire des liens
- Es-tu préoccupé par les déchets dans ton quotidien? Es-tu conscient des produits chimiques que tu jettes tous les jours?
- Que fais-tu pour recycler, réduire ou réutiliser afin de diminuer la quantité de déchets que tu produis?
- Crois-tu que les petits efforts que tu fais peuvent avoir une grande influence en termes de durabilité? Pourquoi, ou pourquoi pas?
Liens entre les sciences, la technologie, la société et l’environnement
- Pourquoi les fabricants pourraient-ils être intéressés par la mise en œuvre des procédés de la chimie verte?
- Comment l’utilisation accrue des principes de la chimie verte pourrait-elle affecter l’environnement?
Explorer les concepts
- Définis la chimie verte.
- Qu’est-ce qu’un catalyseur?
- Quels principes directeurs de la chimie verte énoncés dans le graphique peuvent être appliqués à des produits tels que les plastiques biodégradables et les microplastiques?
La nature de la science et de la technologie
- Quels problèmes, contraintes sociales et questions fondamentales influencent présentement la science de la chimie?
Littératie médiatique
- Peux-tu penser à un principe ou procédé de la chimie verte qui a été signalé dans les médias? Le cas échéant, lequel était-ce?
- Crois-tu que les progrès de la chimie ou de la chimie verte attirent autant l’attention des médias que d’autres domaines scientifiques? Pourquoi, ou pourquoi pas?
Suggestions pour les enseignants :
- Cet article peut être utilisé pour appuyer l’enseignement et l’apprentissage de la chimie et des études environnementales liées aux sujets tels que les catalyseurs, la combustion, la stœchiométrie, les réactions d’oxydoréduction et la durabilité. Les concepts explorés comprennent la chimie verte, les catalyseurs et l’économie d’atomes.
- Après avoir lu cet article, les élèves pourraient compléter la stratégie d’apprentissage Toile de définition du concept pour les aider à mieux comprendre le terme chimie verte. Des fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
- Afin d’explorer les STSE de la chimie verte, les élèves pourraient faire une recherche sur une des initiatives de chimie verte; par exemple, l’utilisation de biopesticides au lieu des pesticides traditionnels, ou la conversion des résidus de la biomasse et de la cellulose en divers produits, notamment la nourriture pour animaux, les carburants et les produits chimiques industriels. Lorsque les élèves détiennent une certaine compréhension du projet choisi, ils pourraient déterminer ses forces et ses faiblesses en complétant la stratégie d’apprentissage Organisateur du pour et du contre. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
- Les élèves pourraient également étudier sous différents points de vue la mise en œuvre et les répercussions d’une initiative de chimie verte donnée, à l’aide de la stratégie d’apprentissage intitulée Enjeux et parties prenantes. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
En savoir plus
Les douze principes de la chimie verte UNESCO – Liste des principes officiels, avec énoncé à propos de chacun.
Les douze principes de la chimie verte … expliqués aux nuls (2016) Thot Cursus – Un ensemble de 12 vidéos (dont une en anglais) avec notes explicatives pour chacune.
Références
American Chemical Society. (n.d.). 12 principles of green chemistry
American Chemical Society. (n.d.). Green chemistry history
American Chemical Society (n.d.). What is green chemistry?
Driving. (2018). All new cars and trucks sold in B.C. by 2040 must be zero-emission.
International Institute for Sustainable Development. (2017). Costs of pollution in Canada.
Kahlon, A., & Tang, T. (2018). Catalytic converters. LibreTexts.
Laber-Warren, E. (2010, May 28). Green chemistry: Scientists devise new "benign by design" drugs, paints, pesticides and more. Scientific American.
Nice, K., & Bryant, C. How catalytic converters work. HowStuffWorks.