Les STIM expliquées

Introduction à la chimie verte

Icône de l'industrie de la chimie verte

Icône de l'industrie de la chimie verte (Petmal, iStockphoto)

Icône de l'industrie de la chimie verte

Icône de l'industrie de la chimie verte (Petmal, iStockphoto)

Chimie,  Sciences environnementales,  Durabilité
7.2

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

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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 compostage? Éteins-tu les lumières en quittant une salle? Si oui, tu favorises alors la durabilité. Autrement dit, tu reconnais que les ressources naturelles sont limitées et tu veux assurer la santé de la planète à long terme.

Les chimistes conçoivent toutes sortes de produits, y compris des plastiques, des pesticides et des produits pharmaceutiques. Traditionnellement, lorsque les chimistes concevaient des produits, ils se concentraient sur leur utilité. Ils ne réfléchissaient pas nécessairement à l'impact de ce produit sur la Terre. En réalité, beaucoup de ces produits (et les procédés qu’on utilise pour les créer) sont nocifs pour l'environnement! Les chimistes qui se concentrent sur les impacts environnementaux des produits chimiques font partie d'un domaine en pleine expansion connu sous le nom de chimie verte.

La chimie verte aide les chimistes à examiner la durabilité et les impacts environnementaux des produits et des procédés chimiques fabriqués. Ainsi, on réfléchit aux impacts d’un produit chimique au laboratoire, au site d’élimination et au milieu où il est utilisé. Les douze principes de la chimie verte offrent un moyen d’évaluer ces impacts.

Il s’agit d’une infographie en couleur avec douze phrases et logos.
Schéma illustrant les douze principes directeurs de la chimie verte (© 2019 Parlons sciences).
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Il s’agit d’une infographie en couleur avec douze phrases et logos.
Le titre, Chimie verte : 12 principes, figure sur une bannière verte en haut. En dessous, douze diamants verts sont disposés autour d’un tube à essai vert dans lequel pousse une petite plante. Chaque diamant contient une petite illustration et est étiqueté avec une phrase numérotée.
Le premier est intitulé « Prévention des déchets ». Il présente une illustration d’une poubelle. La seconde est « Économie d’atomes » avec un modèle moléculaire de Bohr. Le troisième est « Conception de méthodes de synthèse moins dangereuses » avec une illustration d'une explosion.
Le numéro quatre est « Conception de produits chimiques plus sûrs » avec une tête de mort. Le cinquième est « Solvants et auxiliaires moins polluants » avec une illustration d'une tasse avec deux gouttelettes à l'intérieur. Le sixième est « Recherche du rendement énergétique » avec une prise électrique. Le numéro sept est « Utilisation de ressources renouvelables » avec une gouttelette verte entourée d'un symbole de cycle rond.
Le numéro huit est « Réduction du nombre de dérivés » avec une illustration d'atomes sous forme de sphères claires et sombres reliées par des bâtons. Le neuvième est « Catalyse » avec une illustration d'une jauge. Le dixième est « Conception de produits en vue de leur dégradation » avec un matériau vert solide qui s'effrite. Le onzième est « Observation en temps réel en vue de prévenir la pollution » avec l'illustration d'une bouteille vide à côté d'un arbre sans feuille. Le numéro douze est « Une chimie fondamentalement plus fiable » avec des tubes de liquide corrosif se déversant sur un objet et une main.

Examinons en détail quatre de ces principes.

Principe n° 1 : Prévention des déchets

En fait, on peut appliquer ce principe dans plusieurs sphères de la vie et pas uniquement en laboratoire. 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, la combustion produit du dioxyde de carbone (CO2), et des oxydes d'azote (NOx), qui sont des gaz à effet de serre. Les gaz à effet de serre sont des gaz qui retiennent la chaleur. L'excès de ces gaz dans notre atmosphère est à l'origine du réchauffement de la Terre et du changement climatique.

Heureusement, les voitures sont munies d’une technologie qui aide à réduire l’émanation de produits chimiques dangereux. C’est ce qu’on appelle un convertisseur catalytique (ou pot catalytique). Pendant que le moteur tourne et avant que ces polluants sortent par le tuyau d’échappement, le convertisseur catalytique favorise des réactions chimiques qui les transforment en molécules moins nocives, comme l’oxygène (O2), l’azote (N2), et l’eau (H2O)

Coupe transversale d’un convertisseur catalytique
Coupe transversale d’un convertisseur catalytique. Les structures en nid d’abeille de couleur orange possèdent des surfaces recouvertes d’éléments catalytiques (Source: mipan via iStockphotos).
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Illustration en couleur d'un convertisseur catalytique, découpée pour révéler les matériaux à l'intérieur.
Le convertisseur est un objet en métal argenté en forme d'amande avec des tuyaux ouverts à chaque extrémité. De chaque côté des ouvertures de tuyaux se trouvent des trous de boulons vides. Les couches sont découpées du côté le plus proche.
La couche externe de métal est découpée pour révéler une couche de métal plus foncée. La majeure partie de la cavité intérieure est remplie de deux blocs de forme ovale. Ceux-ci sont recouverts d’un matériau rugueux, moucheté et gris pâle. À l’intérieur, le bloc est constitué d’un nid d’abeilles orange pâle ou d’un matériau finement quadrillé.

Le savais-tu?

En 2021, le secteur des transports a été la deuxième plus importante source d'émissions de gaz à effet de serre au Canada. Les transports représentaient 22 % des émissions nationales totales.

Principe n° 2 : Économie d’atomes

Imagine que tu fais des biscuits. La recette demande d’utiliser une tasse de farine, mais tu en as mesuré deux. Tu finis alors par mettre une tasse de farine 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 matières premières utilisées pour créer le 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

La masse atomique d’un C est 12, celle d’un O est 16 et celle d’un H est 1

6CO2 = 6 x (12 + (16 x 2)44) = 264  C6H12O6 = (12 x 6) + (1 x 12) + (12 x 6) = 180

6H2O = 6 x ((1 x 2) + 1618) = 108  6O2 = 6 x (16 x 232) = 192

Masse totale des réactifs =264 +108= 372 Masse totale des produits = 180+192 = 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%

L'économie d'atomes (2014) Fuse School (4 min 27 s).

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 changements, 77 % des atomes des réactifs se retrouvent dans le produit final ! En reconnaissance de sa contribution, cette entreprise a reçu l’un des prix Green Chemistry Challenge aux États-Unis en 1997.

Principe n° 9 : Catalyse

Un catalyseur est une substance qui aide à amorcer ou à accélérer une réaction chimique. L’emploi de 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. Le catalyseur aide à convertir certains de ces gaz toxiques en gaz moins nocifs.

Les éléments platine, palladium et rhodium sont souvent utilisés comme catalyseurs
Les éléments platine, palladium et rhodium sont souvent utilisés comme catalyseurs (Source : Parlons sciences, utilisation d’une image de Periodictableru [CC BY], Hi-Res Images of Chemical Elements [CC BY et Alchemist-hp (talk) www.pse-mendelejew. dederivative work: Purpy Pupple [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons [Pt, Pd, Rh]).
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Voici trois photographies en couleur de métaux nobles et une illustration en noir et blanc d'un convertisseur catalytique. De gauche à droite, la première photographie montre le platine. Il s'agit d'une pile argentée brillante composée de pièces plates aux bords droits. La photo suivante montre du palladium. Il s'agit d'un argent plus sombre et brillant, en deux morceaux qui ressemblent à du papier d'aluminium froissé et tordu. La dernière photo montre du rhodium. Il s'agit d'un argent brillant, éclatant, qui se présente sous deux formes. L'une est un cylindre, l'autre une sphère. Les deux sont lisses et polies. L'illustration ci-dessous montre le processus qui se déroule dans un convertisseur catalytique. De gauche à droite, elle commence par un nuage blanc bouffi qui contient les symboles chimiques des oxydes nitriques, du monoxyde de carbone et des hydrocarbures. De là, une flèche pointe vers une boîte grise munie d'un tuyau de chaque côté, à l'intérieur de laquelle se trouve une grille de minuscules carrés blancs. À droite de la boîte, une flèche part du tuyau et mène à un autre nuage blanc. Celui-ci contient les symboles chimiques du dioxyde de carbone, de l'eau et de l'azote.

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 continuellement sans avoir besoin de les remplacer.

Le savais-tu?

Les véhicules à moteur diesel utilisent des convertisseurs catalytiques différents de ceux des véhicules à moteur à essence.

Principe n° 11 : Observation en temps réel en vue de prévenir la pollution 

Lorsqu'un robinet commence à fuir, il vaut mieux le réparer tout de suite plutôt que d'attendre que la cuisine soit inondée, n'est-ce pas? C'est ça la prévention de la pollution en temps réel : régler les problèmes avant qu'ils ne causent des dommages à la Terre.

Semblable au principe de prévention des déchets, ce principe consiste à trouver des moyens de prévenir la pollution, comme les gaz à effet de serre, au lieu d'attendre que la pollution se produise et d'essayer ensuite de la nettoyer.

Les chimistes verts et chimistes vertes travaillent sur une stratégie appelée capture du carbone. L'objectif de la capture du carbone est d'éliminer l'excès de dioxyde de carbone dans l'air avant qu'il ne devienne un problème. La technologie de capture du carbone fonctionne de la manière suivante :

  • recueillir le dioxyde de carbone avant qu'il ne s'échappe dans l'atmosphère
  • stocker le dioxyde de carbone en toute sécurité
  • réutiliser ou neutraliser le dioxyde de carbone pour le transformer en matériaux utiles.

Le savais-tu?

Deux scientifiques de l'Université d'Ottawa ont reçu la médaille de la Société royale du Canada pour leur travail sur la technologie de capture du carbone. Lire l'article complet ici.

Les carrières dans la chimie verte 

Les principes de la chimie verte sont importants. Ils permettent entre autres aux chimistes de rendre certains produits d’usage courant moins nocifs pour l’environnement. La chimie verte permet de mettre en place des processus plus efficaces, avec moins de déchets, moins d'énergie et moins de déchets dangereux à nettoyer !

Si tu es passionné par l'environnement et que tu veux faire partie de la solution, une carrière dans la chimie verte pourrait être parfaite pour toi. Voici quelques options de carrière passionnantes dans le domaine de la chimie verte :

Chimiste de l'environnement : Trouve des solutions aux problèmes environnementaux, tels que la pollution et le changement climatique.

Ingénieur ou ingénieure chimiste : Conçoit des processus pour créer des produits dans le respect de l'environnement.

Consultant ou consultante en développement durable : Aide les organisations à devenir plus respectueuses de l'environnement en les conseillant sur les pratiques de la chimie verte.

Chercheur ou chercheuse scientifique : Explore de nouvelles voies pour rendre les produits chimiques et les processus plus durables.

Tu veux en savoir plus ? Lis les profils de quelques personnes intéressantes qui travaillent dans le domaine de la chimie verte !

Même si tu ne deviens pas un chimiste vert ou chimiste verte, tu peux quand même favoriser la durabilité en pratiquant la chimie verte à travers ton quotidien! Par exemple :

  • tu peux réduire ta production de déchets en faisant le plus de recyclage et de compostage possible;
  • tu peux tenter de choisir des produits fabriqués à l’aide des pratiques de la chimie verte;
  • tu peux faire attention à la façon dont tu utilises les transports dans ta communauté;
  • tu peux éliminer les déchets nocifs de façon appropriée par exemple, en recyclant les piles et les appareils électroniques aux endroits désignés, et en retournant les médicaments non utilisés à la pharmacie au lieu de les jeter.

 

POINTS DE DÉPART

  • 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 [document Google] 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 [document Google] 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 [document Google] 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?

Education aux médias

  • 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 [document Google] 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 [document Google] 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 [document Google] et [pdf].

En savoir plus

La chimie verte
Cet article de McGill donne un bref aperçu des 12 principes de la chimie verte.

La nomenclature chimique
Cet article d'Alloprof explique la nomenclature en chimie. Il nous aide à mieux comprendre les atomes et les éléments

Une chimie verte qui se fait dans l’herbe (2021)
Cette vidéo (7 min 50 s) par Zeste de Science explique une innovation de la chimie verte développée pour éliminer les métaux lourds du sol.

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.

Government of Canada (2023). Greenhouse Gas Emissions.

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.

Sujets connexes

Catalyseurs
Combustion
Molarité et stœchiométrie
Durabilité