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Accompagnement personnalisé en TS Analyse de documents : Production de l’ammoni

Accompagnement personnalisé en TS Analyse de documents : Production de l’ammoniac Document 1 : Le procédé Haber-Bosch Des milliards d’êtres humains vivent aujourd’hui grâce à une découverte centenaire : en 1909, le chimiste allemand Fritz Haber, de l’Université de Karlsruhe, réussit à transformer l’azote gazeux en ammoniac, le composé actif des engrais, à l’aide d’un catalyseur. Très abondant dans l’atmosphère, l’azote est un gaz inerte, c’est-à-dire qu’il n’est pas utilisable tel quel par les organismes vivants (du moins la majorité d’entre eux). En 1913, un autre chimiste allemand, Carl Bosch, mit au point un procédé permettant d’appliquer la méthode de Haber à l’échelle industrielle. Des centaines de milliers de tonnes d’engrais azotés purent être produites dès la fin des années 1910. Elles permirent de transformer des terres stériles en champs fertiles et de faire se succéder les cultures sans attendre que le sol ne se soit naturellement régénéré. « Réduire la pollution par l’azote » Alan Townsend et Robert Howarth-Pour La Science n°393 Juillet 2010 Document 2 : Synthèse industrielle de l’ammoniac Actuellement la fabrication d'ammoniac NH3 repose sur la synthèse directe à partir de la réaction : N2(g) + 3 H2(g) ⇄2 NH3(g) Cette synthèse est effectuée à une température de 450°C et sous une pression de 250 bars. Un catalyseur est utilisé pour augmenter la vitesse de réaction : il s’agit du fer α sous forme de microcristaux. Les réacteurs doivent être conçus pour résister aux hautes pressions et pour évacuer la chaleur. La réaction étant exothermique, il faut en effet éviter que la température ne monte trop car cela abime le catalyseur. Document 3 : Rendement (en %) de la synthèse de l’ammoniac en fonction des conditions de température et de pression Document 4 : Mode de fonctionnement du Fer α en tant que catalyseur. Document 5 : L’ammoniac sans peine Des chimistes américains ont découvert une nouvelle voie pour la synthèse de l'ammoniac, dont la simplicité contraste avec les méthodes couramment utilisées. Le catalyseur utilisé dans le procédé Haber-Bosch est un solide métallique. La réaction se produit donc dans des phases différentes, et des conditions drastiques sont nécessaires pour mettre en contact les P (bar) T (°C) 10 100 300 600 200 50,7 81,5 89,9 95,4 400 3,8 25,1 47,0 65,2 500 1,2 10,6 26,4 42,1 700 0,23 2,2 7,3 12,6 Figure 1: Nitrogénase différents composés. Une possibilité pour alléger ces conditions consisterait à utiliser un catalyseur qui soit miscible avec les réactifs. Mais aucun catalyseur répondant à ces exigences n'avait jusqu'à présent été identifié. Une équipe américaine de l'université Cornell pense avoir enfin déniché la perle rare : un complexe organométallique formé à partir du zirconium. La partie métallique peut se fixer aux atomes d'azote, tandis que la partie organique permet au catalyseur d'être miscible avec les réactifs. Par ce truchement, les molécules d'azote ont pu être « activées » en solution et à température ambiante. La production en quantité industrielle est-elle envisageable ? « On en est encore loin : le procédé n'est pas tout à fait catalytique car il ne laisse pas intact le complexe initial. Pouvoir le régénérer à partir des produits finaux ne semble pas être possible pour le moment », tempère Jean-Pierre Majoral. 31/03/2004 par Nicolas Constans dans La Recherche n°374 Document 6 : Vers une chimie bio-inspirée Pour sa thèse, menée dans le département de chimie de l'Université de Bretagne occidentale, Alan Le Goff a travaillé sur la réaction qui permet de passer de l'azote de l'air à l'ammoniac. Très utilisée dans l'industrie, cette synthèse consomme beaucoup d'énergie alors que certaines plantes, comme le trèfle ou la luzerne, la réalisent naturellement, à température ambiante, grâce à des enzymes appelées des nitrogénases. « Je n'ai pas travaillé directement avec les enzymes, car celles-ci nécessitent des conditions très particulières de manipulations, poursuit le chercheur. J'ai synthétisé chimiquement des modèles plus simples, qui se rapprochent de la structure du site actif de ces enzymes. » Nous sommes encore loin des applications de chimie biomimétique à grande échelle, « car il n'existe pas beaucoup de complexes chimiques capables de transformer efficacement l'azote en ammoniac dans des conditions douces, reprend-il. C'est un verrou technologique qu'il faudrait réussir à faire sauter pour que ce domaine de recherche, encore très fondamental, se développe. Les modèles bio-inspirés sur lesquels j'ai travaillé sont des intermédiaires entre le tout bio, les enzymes, et le tout chimique, les catalyseurs métalliques. » NATHALIE BLANC – Sciences Ouest Février 2010 Questions préalables : 1. Quelles conditions de température et de pression favorise la synthèse de l’ammoniac ? 2. Quelle est l’influence de la température sur la vitesse d’une réaction chimique ? A l’aide des documents ci-dessus, vous dégagerez la problématique de la production de l’ammoniac, le mode d’action du catalyseur actuellement utilisé et les voies de recherche actuellement envisagées. uploads/Industriel/ ap08-synthese-ammoniac.pdf