Cristaux de platine

Cristaux de platine (Jurii [CC-BY], Wikimedia Commons)

Les STIM en contexte

Les convertisseurs catalytiques

Lars Rose et Sherry Boodram et Parlons sciences

Résumé

Les convertisseurs catalytiques utilisent des métaux nobles pour accélérer les réactions chimiques. Les émissions des véhicules sont ainsi moins nocives.

As-tu des amis qui étudient pour leur examen de conduite? Ou bien c’est toi qui cherches à maîtriser le code de la route. Que connais-tu vraiment des voitures? Par exemple, savais-tu que les métaux nobles assainissent les gaz d’échappement du moteur?

Attention aux idées fausses! 

Les métaux nobles et les métaux précieux sont deux choses différentes. Les métaux précieux ont une valeur monétaire élevée. Les métaux nobles sont très résistants à la corrosion et à l’oxydation. Cependant, certains métaux précieux sont aussi des métaux nobles.

Que recrache le tuyau d’échappement d’une voiture?

Les gaz d’échappement des voitures sont aussi appelés émissions des véhicules. Ils contiennent de nombreuses substances, dont certaines sont plus nocives que d’autres.

Le moteur de ta voiture fonctionne probablement à l’essence. L’essence est un hydrocarbure. Ce carburant est mélangé avec l’air dans ta voiture avant d’être brûlé. Ce processus, qu’on appelle la combustion, crée beaucoup de sous-produits chimiques.

Certains de ces sous-produits sont absolument sans danger. L’air, par exemple, est constitué à 78 % d’azote gazeux (N2). Une partie de cet azote réagit avec l’oxygène pendant la combustion. Cependant, la majeure partie est rejetée sous forme de N2 dans les gaz d’échappement d’un moteur. L’échappement des moteurs contient aussi de l’eau (H2O). On voit souvent de l’eau s’écouler des tuyaux d’échappement en hiver.

Les moteurs automobiles émettent aussi beaucoup de substances nocives. Certaines d’entre elles peuvent être responsables des précipitations acides. C’est le cas du dioxyde de carbone (CO2), des oxydes d’azote (NOx) et des oxydes de soufre.

D’autres émissions de véhicules peuvent causer des problèmes de santé, comme les maladies cardiovasculaires et le cancer. C’est le cas des hydrocarbures non brûlés, des particules (particules de carbone) et des composés organiques volatils (COV).

Les moteurs automobiles relâchent aussi du monoxyde de carbone (CO). Ce gaz toxique peut prendre la place de l’oxygène dans le sang. Il peut même entraîner l’asphyxie s’il est respiré en trop grande quantité!

Tout cela semble bien effrayant, n’est-ce pas? Heureusement, les convertisseurs catalytiques contribuent à rendre les émissions des moteurs moins nocives. Voici comment.

Qu’est-ce qu’un convertisseur catalytique?

Le convertisseur catalytique (ou pot catalytique) a été inventé autour de 1950 par Eugène Houdry, un ingénieur mécanique français. Il a inventé le convertisseur catalytique pour nettoyer les gaz d’échappement des voitures.

L’usage généralisé des convertisseurs catalytiques s’est répandu vers 1975. Les gouvernements commençaient alors à vouloir réduire la pollution atmosphérique des voitures. À cette époque, un grand nombre de voitures utilisaient l’essence au plomb. Le plomb (Pb) peut nuire au bon fonctionnement d’un convertisseur catalytique. En effet, le plomb peut recouvrir la surface qui réagit normalement avec les gaz d’échappement.

Le savais-tu?

Imagine que tu utilises la même quantité de carburant dans un VUS muni d’un convertisseur catalytique et dans une tondeuse sans convertisseur. La tondeuse serait environ 100 fois plus polluante!

Comment fonctionne un convertisseur catalytique?

Le convertisseur catalytique d’une voiture est relié au tuyau d’échappement. Un boîtier métallique contient une structure en nid d’abeille en céramique. La structure en nid d’abeille est recouverte d’un mélange de platine (Pt), de palladium (Pd) et de rhodium (Rh). Ces métaux nobles offrent une bonne résistance à l’oxydation, à la corrosion et à l’acide. Ils sont donc à l’épreuve du mauvais temps et de tous les produits chimiques que laisse échapper un moteur automobile.

Les métaux nobles dans les convertisseurs catalytiques agissent comme un catalyseur. Les catalyseurs sont des composés qui peuvent déclencher une réaction chimique sans être eux-mêmes modifiés. La structure en nid d’abeille à l’intérieur d’un convertisseur catalytique maximise la surface de contact qui donne lieu aux réactions.

les catalyseurs de platine, palladium et rhodium
Les convertisseurs catalytiques utilisent des éléments tels le platine (Pt), le palladium (Pd) et le rhodium (Rh) comme catalyseur (Parlons sciences, photographies de Periodictableru [CC BY], images haute-résolution d’éléments chimiques [CC BY et Alchemist-hp (talk) www.pse-mendelejew. Œuvre dérivée : Purpy Pupple [CC BY-SA 3.0] Wikimedia Commons (Pt, Pd, Rh)).

Le savais-tu? 

De nos jours, près de 98 % des voitures neuves vendues dans le monde sont équipées d’un convertisseur catalytique.

Quelles réactions chimiques entrent en jeu dans un convertisseur catalytique?

Les convertisseurs catalytiques font appel à la réaction de réduction et d’oxydation (rédox) pour réduire les émissions nocives.

Ils utilisent un catalyseur de réduction qui est fait de platine et de rhodium. Un tel catalyseur permet de réduire les oxydes d’azote (NOx) grâce à l’élimination des atomes d’azote dans les molécules d’oxydes d’azote (NO et NO2). Ainsi, l’oxygène libre forme un gaz oxygène (O2). Ensuite, les atomes d’azote liés au catalyseur réagissent entre eux. Cette réaction crée l’azote gazeux (N2).

Les réactions de réduction pour l’acide nitrique et le dioxyde d’azote
Les réactions de réduction pour l’acide nitrique et le dioxyde d’azote (© 2019 Parlons sciences).

 

Graphique - Version textuelle

L’acide nitrique et le dioxyde d’azote sont réduits pour donner de l’azote gazeux et du gaz oxygène

 

Les convertisseurs catalytiques utilisent aussi un catalyseur d’oxydation qui est fait de platine ou de palladium. Ce convertisseur permet de réduire la quantité d’hydrocarbures (HC) et de monoxyde de carbone (CO). En premier lieu, le monoxyde de carbone et l’oxygène se combinent pour constituer le dioxyde de carbone (CO2). Puis, les hydrocarbures non brûlés et l’oxygène s’unissent pour former du dioxyde de carbone et de l’eau.

Les réactions d’oxydation pour le monoxyde de carbone et les hydrocarbures non brûlés
Les réactions d’oxydation pour le monoxyde de carbone et les hydrocarbures non brûlés (© 2019 Parlons sciences).

 

Graphique - Version textuelle

Le monoxyde de carbone et l’oxygène se combinent pour constituer le dioxyde de carbone. Les hydrocarbures non brûlés et l’oxygène s’unissent pour donner le dioxyde de carbone et l’eau.

 

Les convertisseurs catalytiques modernes utilisent aussi des sondes d’oxygène. On les appelle aussi parfois des sondes lambda. Elles exercent un contrôle sur la quantité supplémentaire d’oxygène qui est injectée dans le flux d’échappement. Le maintien de la bonne quantité d’oxygène améliore l’efficacité des réactions de réduction et d’oxydation.

Le savais-tu? 

C’est au démarrage qu’un moteur automobile pollue le plus. En effet, il faut quelques minutes au convertisseur catalytique avant d’entrer en jeu. C’est une bonne raison de marcher si tu n’as qu’une courte distance à parcourir!

Les chercheurs tentent de déterminer s’il est possible d’utiliser de l’or dans les convertisseurs catalytiques. Cela peut sembler dispendieux, mais l’or est, en fait, moins cher que bon nombre d’autres métaux nobles. Et il y en a en plus grande quantité! D’ailleurs, nous pourrions manquer de métaux comme le platine d’ici quelques décennies. À certains endroits, les gens vont jusqu’à voler les convertisseurs catalytiques pour mettre la main sur les métaux nobles qu’ils contiennent!

 

Amorces de discussion

Faire des liens
  • Est-ce que tu achèterais une voiture sans convertisseur catalytique? Pourquoi, ou pourquoi pas?
  • Est-ce que tu essaies de limiter la pollution que tu génères? Explique.
  • As-tu déjà vécu un épisode de smog ou de forte pollution de l’air? Décris les effets.

 

Faire des liens
  • Est-ce que tu achèterais une voiture sans convertisseur catalytique? Pourquoi, ou pourquoi pas?
  • Est-ce que tu essaies de limiter la pollution que tu génères? Explique.
  • As-tu déjà vécu un épisode de smog ou de forte pollution de l’air? Décris les effets.

 

Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement
  • Peux-tu nommer certains métaux nobles utilisés comme catalyseur dans les convertisseurs catalytiques? Les gouvernements devraient-ils investir davantage dans la production de ces métaux? Pourquoi, ou pourquoi pas?
  • Faut-il continuer d’étudier l’utilisation de l’or comme catalyseur dans les convertisseurs catalytiques? Ou devrions-nous opter pour des voitures moins polluantes? Explique.
Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement
  • Peux-tu nommer certains métaux nobles utilisés comme catalyseur dans les convertisseurs catalytiques? Les gouvernements devraient-ils investir davantage dans la production de ces métaux? Pourquoi, ou pourquoi pas?
  • Faut-il continuer d’étudier l’utilisation de l’or comme catalyseur dans les convertisseurs catalytiques? Ou devrions-nous opter pour des voitures moins polluantes? Explique.
Explorer les concepts

  • Qu’est-ce qu’un catalyseur? Quels sont les catalyseurs couramment utilisés dans les convertisseurs catalytiques?
  • Quel rôle joue le catalyseur dans la réduction des émissions nocives des gaz d’échappement de voiture? Quelles réactions chimiques surviennent pendant ce processus?
  • Les convertisseurs catalytiques n’empêchent pas la production de dioxyde de carbone pendant la combustion. Le dioxyde de carbone contribue grandement au changement climatique. La production d’oxydes d’azote et d’oxydes de soufre est-elle pire pour l’environnement que l’émission de dioxyde de carbone? Explique.
  • Quelle est la fonction de la sonde d’oxygène dans le système d’échappement d’une voiture?
Explorer les concepts

  • Qu’est-ce qu’un catalyseur? Quels sont les catalyseurs couramment utilisés dans les convertisseurs catalytiques?
  • Quel rôle joue le catalyseur dans la réduction des émissions nocives des gaz d’échappement de voiture? Quelles réactions chimiques surviennent pendant ce processus?
  • Les convertisseurs catalytiques n’empêchent pas la production de dioxyde de carbone pendant la combustion. Le dioxyde de carbone contribue grandement au changement climatique. La production d’oxydes d’azote et d’oxydes de soufre est-elle pire pour l’environnement que l’émission de dioxyde de carbone? Explique.
  • Quelle est la fonction de la sonde d’oxygène dans le système d’échappement d’une voiture?
Suggestions pour l'enseignement
  • Cet article appuie l’enseignement et l’apprentissage de notions en chimie, science de l’environnement, pollution, technologie et ingénierie se rapportant à la qualité de l’air, aux catalyseurs, à la combustion, aux réactions d’oxydoréduction (rédox), aux métaux et aux hydrocarbures. Les concepts abordés comprennent l’essence, les hydrocarbures, la combustion, le dioxyde de carbone, les oxydes d’azote (NOx), les oxydes de soufre, les précipitations acides, les composés organiques volatils (COV), le monoxyde de carbone, le convertisseur catalytique, les catalyseurs, les composés, l’oxydation, la réduction, le catalyseur de réduction, l’acide nitrique, le dioxyde d’azote, le catalyseur d’oxydation et la sonde d’oxygène.
  • Après la lecture de cet article, les enseignants pourraient demander aux élèves d’employer une stratégie d’apprentissage Tournoi des idées principales pour résumer les idées principales de l’article. Une fiche reproductible prête à utiliser de cette stratégie est accessible en formats [Document Google] et [PDF].
  • Pendant l’enseignement de la chimie, les enseignants peuvent se servir de cet article comme exemple d’utilisation des catalyseurs dans la vie de tous les jours.
  • Pour explorer ce sujet plus en profondeur, les enseignants pourraient demander aux élèves de débattre de l’utilisation de l’or comme catalyseur dans un convertisseur catalytique au moyen de la stratégie d’apprentissage Organisateur du pour et du contre. Une fiche reproductible prête à utiliser de cette stratégie est accessible en formats [Document Google] et [PDF].
  • Pour pousser plus loin l’exploration par les élèves des enjeux liés au transport et aux combustibles fossiles ainsi que leurs connaissances sur l’empreinte carbone associée aux différents modes de transport dans la société, les élèves pourraient participer au projet d’action Énergie sur le pouce.
Suggestions pour l'enseignement
  • Cet article appuie l’enseignement et l’apprentissage de notions en chimie, science de l’environnement, pollution, technologie et ingénierie se rapportant à la qualité de l’air, aux catalyseurs, à la combustion, aux réactions d’oxydoréduction (rédox), aux métaux et aux hydrocarbures. Les concepts abordés comprennent l’essence, les hydrocarbures, la combustion, le dioxyde de carbone, les oxydes d’azote (NOx), les oxydes de soufre, les précipitations acides, les composés organiques volatils (COV), le monoxyde de carbone, le convertisseur catalytique, les catalyseurs, les composés, l’oxydation, la réduction, le catalyseur de réduction, l’acide nitrique, le dioxyde d’azote, le catalyseur d’oxydation et la sonde d’oxygène.
  • Après la lecture de cet article, les enseignants pourraient demander aux élèves d’employer une stratégie d’apprentissage Tournoi des idées principales pour résumer les idées principales de l’article. Une fiche reproductible prête à utiliser de cette stratégie est accessible en formats [Document Google] et [PDF].
  • Pendant l’enseignement de la chimie, les enseignants peuvent se servir de cet article comme exemple d’utilisation des catalyseurs dans la vie de tous les jours.
  • Pour explorer ce sujet plus en profondeur, les enseignants pourraient demander aux élèves de débattre de l’utilisation de l’or comme catalyseur dans un convertisseur catalytique au moyen de la stratégie d’apprentissage Organisateur du pour et du contre. Une fiche reproductible prête à utiliser de cette stratégie est accessible en formats [Document Google] et [PDF].
  • Pour pousser plus loin l’exploration par les élèves des enjeux liés au transport et aux combustibles fossiles ainsi que leurs connaissances sur l’empreinte carbone associée aux différents modes de transport dans la société, les élèves pourraient participer au projet d’action Énergie sur le pouce.

En savoir plus

Comment marche un pot catalytique (2006) L’[email protected] – Cet article se penche principalement sur les difficultés liées à cette technologie comme moyen de réduction de la pollution.

Plus cher que l’or : la montée fulgurante du palladium (2020) radio-canada -- Certains experts estiment que le prix du palladium pourrait même atteindre la barre des 3000 $ US par once dans les prochains mois. Pourquoi cette flambée? Globalement, l’offre ne suit pas la demande.

Le pot catalytique, pièce essentielle du véhicule (2020) Natura-science.com -- Le pot catalytique dépollue les gaz d’échappement. Il contient plusieurs métaux précieux dont le prix explose. Comment fonctionne-t-il? Comment valoriser vos catalyseurs?

Références

Helmenstine, A. M. (2018, septembre 19). Noble metals list and properties. ThougthCo.

International Platinum Group Metals Association. (n.d.). Catalytic converters.

Nice, K., & Bryant, C. W. (2000, juillet 11). How catalytic converters work. HowStuffWorks.