La maîtrise de la consommation d’énergie est au coeur des enjeux du xxie siècle, et devient une préoccupation majeure pour les citoyens d’une planète confrontée à des problématiques d’épuisement des ressources et de changement climatique. Dans un pays comme la France, le bâtiment est responsable de près de la moitié de la facture énergétique et constitue donc un levier important pour réduire la consommation globale d’énergie. Quelles pistes peuvent être explorées pour améliorer ses performances ? En particulier, comment peut-on rénover le bâti existant ?
Parties des programmes de physique-chimie associées :
- Programme de la spécialité physique-chimie de terminale générale (en vigueur à partir de la rentrée 2020) : Partie Énergie – conversion et transferts (transferts thermiques ; flux thermique, résistance thermique)
- Programme de sciences physiques, complément des sciences de l’ingénieur de terminale générale (en vigueur à partir de la rentrée 2020) : Partie Énergie – conversion et transferts (transferts thermiques ; flux thermique, résistance thermique)
- Programme maths-PC en STL (en vigueur à partir de la rentrée 2020) : Partie Énergie – conversion et transferts (bilan énergétique ; dissipation et transferts thermiques.)
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Les vitraux
Rubrique(s) : Zoom sur...
Le verre est un matériau amorphe constitué essentiellement de silice, donc non cristallin, et correspond en quelque sorte à un liquide figé. Il est homogène à l’œil nu, mais des observations avec les spectroscopies UV-Visible et Raman, mais aussi par microscopie optique à balayage ou par spectroscopie de masse à plasma, montrent qu’il s’agit d’enchainements de tétraèdres silicates SiO4 reliés par des ponts Si-O-Si.
Les sources de silice sont le sable ou des galets de quartz des rivières. [...]
Le verre est un matériau amorphe constitué essentiellement de silice, donc non cristallin, et correspond en quelque sorte à un liquide figé. Il est homogène à l’œil nu, mais des observations avec les spectroscopies UV-Visible et Raman, mais aussi par microscopie optique à balayage ou par spectroscopie de masse à plasma, montrent qu’il s’agit d’enchainements de tétraèdres silicates SiO4 reliés par des ponts Si-O-Si [1].
Les sources de silice sont le sable ou des galets de quartz des rivières.
La silice a un haut point de fusion (1720 °C) et est mélangée avec des fondants (pour travailler à des températures voisines de 1200 °C) soit de type minéral comme le natron [2] (carbonate de sodium hydraté : Na2CO3, 10 H2O) ou l’oxyde de plomb (cristal), soit de type végétal avec des cendres de plantes. Au IXe siècle, les difficultés d’approvisionnement en soude (NaOH) au Moyen-Orient conduisirent au remplacement du fondant sodique minéral (natron), verre dit romain, par des cendres sodiques ou potassiques d’origine littorale, telles que les salicornes et même les algues, ou d’origine forestière telles que les fougères, les chênes etc... Mais plus tard la production de soude par le procédé Leblanc au XVIIIe siècle permit à la production verrière à base de sodium de se développer à nouveau. Ainsi on peut analyser facilement les éléments constitutifs d’un vitrail, ce qui permet d’identifier les parties médiévales sans ambigüité, notamment par les signatures des spectres Raman simples qui sont facilement réalisés avec la miniaturisation des appareils devenus portables et utilisés sur site [3].
Dans les vitraux on ajoute des colorants qui sont des sels métalliques ou des oxydes d’éléments de transition dont la couleur dépend du métal mais aussi de son degré d’oxydation [4] : Cu2+ turquoise, Fe3+ jaunâtre, Fe2+ bleuâtre, Mn3+ aubergine, Co2+ bleu, mais aussi des nanoparticules de Cu (rouge), uranyle UO2+ (jaune-vert fluorescent), Ag (jaune), CdS (jaune), CdSe (rouge).
On utilise aussi des opacifiants comme des oxydes ou des sels d’étain, d’antimoine, de calcium, d’arsenic ou de cuivre.
À titre d’exemple la composition d’un vitrail de la cathédrale de Tours est :
| SiO2 | K2O | CaO | Na2O | MgO | Al2O3 | MnO | P2O5 |
| 53 % | 16 % | 14 % | 2 % | 2 % | 1 % | 7 % | 5 % |
La France possède la plus grande surface de vitraux dans le monde : 100.000 m2 !
Au fil du temps, la transparence des vitraux peut être diminuée par des dépôts de sels de calcium (carbonate et sulfate principalement). Les premiers travaux de restauration des vitraux sont dus à Chevreul (années 1860) qui proposait des procédés mécaniques de lavage successifs à la soude, l’acide chlorhydrique et l’eau. Ainsi, par exemple sur les vitraux de la cathédrale Notre-Dame de Paris, qui présentaient des dépôts de sulfate de calcium provenant sans doute du plâtre des habitations et du gypse très présent dans le sous-sol de la région parisienne ! [5]
Au cours des dernières années, les études ont montré que la dégradation des vitraux était due à la lixiviation avec échange ionique entre les ions du verre et les agents atmosphériques ambiants. Par exemple, le brunissement observé sur des vitraux du Moyen Âge provient de l’oxydation des ions Mn2+ en Mn4+. L’origine du phénomène n’est pas encore totalement connue mais il est établi, par des analyses microbiologiques, que la présence de bactéries, plus particulièrement les ferrobactéries, permettent l’oxydation des cations Mn2+ par catalyse enzymatique [6].
La Cène - Vitrail de la cathédrale de Bourges. Photo : F. Brénon
Pour approfondir et illustrer ce sujet :
[1] Les verres mosaïqués : la palette de couleurs du verrier égyptien de Bernard Gratuze, site Mediachimie.org (vidéo/conférence), in Chimie et Alexandrie dans l’Antiquité, EDP Sciences (2020), pp. 165-196
[2] Comment faire des vitrages avec du sable ? La réaction de fusion du verre, Réaction en un clien d'oeil, site Mediachimie.org
[3] Le laboratoire mobile au chevet des œuvres d’art : quelques exemples de Philippe Colomban et Ludovic Bellot-Gurlet, L'Actualité Chimique n°418-419 (mai-Juin 2017) pp. 85-87
[4] L'art du verrier : des nanotechnologies depuis l'Antiquité ! » de Jean-Claude Lehmann, in La chimie et l’art, EDP Sciences (2010) pp. 207-220
[5] Deux interventions peu connues de Chevreul dans les Beaux-Arts de Josette Fournier, L'Actualité Chimique n°312-313 (octobre-novembre 2007) pp.112 -117
[6] Incidence bactérienne dans les phénomènes de brunissement des vitraux anciens de Geneviève Orial et coll., L'Actualité Chimique n°312-313 (octobre-novembre 2007) pp. 34-37
Sandrine Roussel est ingénieure brevets chez Solvay. Elle nous fait découvrir son parcours, son métier à double compétences et ses missions essentielles pour protéger les innovations de l’entreprise.
Lionel Augee est technicien de formulation chez Solvay. Il participe à la mise au point de solutions pour protéger les métaux contre la corrosion et faciliter l’adhérence des peintures. Il nous décrit ses diverses activités au sein du laboratoire, ses collaborations avec d’autres services de l’entreprise ainsi que son parcours.
Anne-Laure Pinault est responsable d’équipe de recherche chez Solvay. Elle nous fait découvrir son parcours, ses missions et ce qui contribue à leurs réussites et nous fait partager son enthousiasme.
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Quelle dose moyenne de radioactivité reçoit-on en France ?
Rubrique(s) : Question du mois
La radioactivité a été découverte par un français Henri Becquerel en 1896 qui a constaté qu’en enveloppant un minerai d’uranium d’un papier photographique, celui-ci était impressionné en l’absence de toute lumière par un rayonnement inconnu qu’il a baptisé radioactivité.
C’est une propriété d’isotopes instables comme l’uranium 238 (238U) ou le thorium 232 (232Th). Marie Curie découvrit plus tard cette même propriété pour le radium (Ra). Les atomes radioactifs comportent dans leur noyau un nombre de nucléons (protons + neutrons) qui rend ce noyau instable. Pour retrouver une configuration stable ils émettent de l’énergie par rayonnement α (noyaux d’hélium, He), β (électrons) ou γ (photons).
La première unité de mesure de la radioactivité fut le becquerel 1 Bq qui correspond à une désintégration par seconde. L’activité d’une source peut s’exprimer en Bq ou en Bq/kg activité massique (1). Notre corps est lui-même radioactif d’environ 120 Bq/kg. Si vous pesez 70 kg, l’activité est d’environ 8 000 Bq due principalement au potassium 40 (40K) et au carbone 14 (14C).
Ce qui est plus important c’est la dose de radioactivité absorbée par une cible, en joules par kilogramme (J/kg). Anciennement appelée rad pour Radiation Absorbed Dose (rad) elle est actuellement, dans le système international (SI) exprimée en gray (Gy) :
1 Gy = 1 J/kg = 100 rad.
Elle trouve son utilité en radioprotection. On définit alors la dose efficace qui est la somme pondérée des doses équivalentes (des rayonnements α, β et γ) absorbées par les organes et tissus humains. Elle est exprimée dans le système international en sievert (Sv) (2) ou son millième, le mSv, unité universellement admise pour la mesure d’exposition à la radioactivité et risques d’apparitions de dégradations de la santé.
Les facteurs de radioactivité
Sur terre nous sommes exposés à plusieurs facteurs. Tout d’abord les rayonnements cosmiques qui nous arrivent du Soleil et de l’espace, le rayonnement tellurique issu des réactions du noyau terrestre et aussi le radon, un gaz lourd radioactif plus ou moins présent dans le sol et le sous-sol, particulièrement dans les régions granitiques. N’oublions pas nos propres activités humaines : si vous passez une radiographie ou un scanner vous êtes exposés aux rayons X (analogues au rayonnement γ), si vous skiez en altitude ou si vous faites des voyages en avion vous serez exposés à plus de rayons cosmiques. Enfin votre propre alimentation vous fait absorber le 40K présent dans les aliments.
| Sources | en mSv par personne et par an |
| Radon | 1,4 |
| Examen médical | 1,6 |
| Rayonnement telleurique | 0,6 |
| Rayonnement cosmique | 0,3 |
| Alimentation | 0,5 |
| Dose moyenne | 4,4 |
Le tableau montre les principales sources et les moyennes, Il peut y avoir de fortes variations suivant les régions habitées, l’altitude fréquentée, l’alimentation absorbée et le comportement individuel.
Quelques exemples et de fausses idées
Pour le radon, dans une cave dans le Cantal, en Lozère ou en Bretagne vous pouvez mesurer des valeurs très variables de 0,5 à 3 mSv. Une radiographie des poumons ou de l’abdomen peut donner des valeurs comprises entre 0,5 et 1,2 mSv, un scanner beaucoup plus. Un voyage aller et retour Paris – New-York, 0,06 mSv, un séjour de ski d’une semaine à 2000 m correspond à 0,25 mSv.
La dose admise réglementairement d’exposition annuelle pour la radioactivité artificielle est de 1 mSv. C’est une norme et ne correspond en rien à une limite dangereuse. Celle-ci est de 100 mSv et correspond à la zone rouge pour la protection des travailleurs du nucléaire pour lesquels on fixe une limite de 20 mSv cumulés sur les 12 derniers mois pour qu’il n’y ait aucune répercussion sur leur formule sanguine.
Les mesures de la radioactivité de l’air se sont multipliées depuis les années 2000, elle est de l’ordre de 100 nSv/h (nSv = nanosievert ou 10-6 mSv). Le réseau de l’IRSN (3) donne pour les grandes villes françaises des valeurs comprises entre 112 et 130 nSv/h. Les retombées radioactives des expériences nucléaires en atmosphère qui ont eu cours jusque dans les années 1970 et l’accident de Tchernobyl en 1986 ne contribuent actuellement à la radioactivité des sols que pour 0,05 mSv, en constante diminution. Les anciens postes de télévision à tube cathodique émettaient des rayons X et pouvaient contribuer à 0,02 mSv par an pour le téléspectateur, les écrans plats n’émettent plus.
D’autres exemples : fumer une cigarette représente 7µSv à cause des goudrons. Combien en fumez-vous ? Si vous mangez beaucoup de crustacés et de coquillages vous absorbez l’iode 131 et le polonium 210 présent dans l’eau de mer mais cela se chiffre en nano et microsievert rassurez-vous. Dans tous les cas le citoyen français en moyenne ne reçoit que de 3 à 4 mSv par an, surtout par radioactivité naturelle, soit une exposition 25 fois plus faible que la dose dangereuse.
Jean-Claude Bernier et l'équipe Question du mois
(1) À côté du becquerel d’autres unités ont été utilisées. Ainsi le curie (Ci) représentant l’activité d’un gramme de radium, soit 1 Ci = 37 109 Bq.
(2) L’ancienne unité pour la dose équivalente et la dose efficace était le rem, pour « röntgen equivalent man ». 1 Sv = 100 rem
(3) IRSN : Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire
En plus d’être renouvelable, un produit biosourcé diminue l’empreinte carbone grâce à la photosynthèse qui consomme du CO2 pour la croissance de la plante.
La chimie du végétal utilise la biomasse d’origine terrestre ou marine, représentant un moyen efficace d’obtention de matières premières, aujourd’hui d’origine fossile (pétrole, gaz naturel, charbon). Le chimiste aura ainsi la capacité de reproduire toute la chimie du carbone.
Cette chimie durable qui fait déjà l’objet de nombreuses applications n’en est qu’à son commencement.
Source : Série Les chimistes dans
À voir et revoir
Rubrique(s) : Événements
Découvrez les dernières vidéos de la série Des Idées plein la Tech’ et Petites histoires de la chimie :
Synthèse contre palu
Chimie de campagne
Goethe et la découverte de la caféine
Édouard Grimaux, ca fermente !
- À la suite des travaux de la lauréate du Prix Nobel Youyou Tu, le Laboratoire de Chimie de Coordination (LLC) du CNRS à Toulouse travaille à la synthèse de nouvelles molécules pour soigner le paludisme : Synthèse contre palu
- Étude des effets des pesticides sur les sols d’une tourbière utilisée pour la culture du maïs : Chimie de campagne
- Johann Wolfgang von Goethe est connu comme écrivain, mais il était aussi curieux. Il demanda au jeune chimiste Friedlieb Ferdinand Runge pourquoi le café maintenait éveillé. Ce fut le début d’une série de découvertes mobilisant de grands chimistes en Europe, allant de la caféine à des molécules importantes pour la chimie organique et l’industrie des colorants : Goethe et la découverte de la caféine
- Édouard Grimaux fut chimiste, découvreur d’un sucre synthétique fermentescible. Mais ce chercheur foisonnant et original fut aussi pharmacien, médecin, enseignant, ami de Georges Clemenceau, biographe de Lavoisier et farouche défenseur des Droits de l’Homme, engagé notamment dans la défense du capitaine Dreyfus : Édouard Grimaux, ca fermente !
Continuité pédagogique
Rubrique(s) : Événements
Pour contribuer à la continuité pédagogique en ces temps de confinement, Mediachimie.org vous propose de retrouver un ensemble de ressources dédiées à la chimie, ses innovations et son enseignement. Ces ressources sont issues du site Mediachimie mais également de nos partenaires (Nathan, La main à la pâte…).
L’accès à ces ressources est gratuit et permettra aux collégiens, lycéens et étudiants de disposer de différents média (articles, animations et vidéos) conformes aux programmes en vigueur.
Cette page est actualisée régulièrement, n’hésitez pas à la consulter régulièrement et à la partager.
Toute notre équipe vous assure de son soutien.
Mediachimie
Vous trouverez dans l'Espace Enseignants, des documents indexés par thématiques transverses pour les écoles et les collèges et l’enseignement supérieur, et par ligne des programmes actuels pour les lycées. N’hésitez pas également à utiliser les ressources pour le lycée réalisées dans le cadre du partenariat Fondation Maison de la Chimie/Nathan : dossiers pédagogiques et fiches d’orientation.
L’Espace Médiathèque présente les ressources par thèmes transdisciplinaires d’intérêt sociétaux. On y trouve également une partie histoire de la chimie qui propose entre autres des animations vidéos.
L’Espace Métiers aide à répondre à vos questions Quelle orientation ? Quelle formation choisir ? Vers quels métiers ? et détaille plus précisément les parcours types de formations (CAP/BacPro/Bac Techno, Bac+2/3, Bac+5/8) et tous les métiers où une formation en chimie est nécessaire.
Des fiches « Les chimistes dans … » permettent de découvrir que les chimistes interviennent dans de très nombreux secteurs d’activité et ce qu’ils y apportent. 62 fiches métiers accompagnées de nombreuses vidéos décrivent les fonctions que l’on peut exercer dans les différents domaines d’activité des entreprises (recherche, développement, procédés, marketing, vente…). Pour les collégiens un ensemble de fiches métiers leur est dédié. Enfin pour en savoir plus sur les salaires, les bourses d’emploi, la formation par l’apprentissage… vous pouvez consulter la rubrique Des réponses à vos questions.
Nathan, Bordas, Le Robert
Les éditions Bordas, Nathan et Le Robert s’engagent pour assurer la continuité pédagogique auprès des élèves concernés par les mesures de confinement.
Tous les manuels de la 6e à la 3e existants sous forme numérique sont désormais accessibles d’un simple clic sur le site adistance.manuelnumerique.com. L’accès à ces ressources permettra aux collégiens et à leurs familles de disposer d’une consultation d’ouvrages conformes aux programmes en vigueur.
La main à la pâte
Dans le cadre de la continuité pédagogique, notre partenaire, La main à la pâte, propose semaine après semaine des pistes d'activités pour que les professeurs (et éventuellement les parents) puissent faire travailler les élèves sur des thématiques scientifiques.
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