Le colloque « Chimie, recyclage et économie circulaire » qui a eu lieu le 8 novembre 2023 au sein de la Fondation de la Maison de la Chimie, a mis en lumière certains enjeux du recyclage des matériaux dont les progrès à réaliser dans la  collecte des déchets mais aussi les objets usagés et la nécessité de sans cesse innover pour améliorer les procédés existants.

Tout cela s’inscrit dans la transition écologique nécessaire pour évoluer vers un nouveau modèle économique et social qui apporte une solution globale et pérenne aux grands enjeux environnementaux de notre siècle et aux menaces climatiques qui pèsent sur notre planète. La chimie est bien entendu très sollicitée pour y parvenir.

Dans ce dossier, après avoir défini les contours de l’économie circulaire, nous aborderons le recyclage de quelques familles de matériaux.

Chimie, recyclage et economie circulaire

• Terminale générale, spécialité physique-chimie — Partie « Constitution et transformations de la matière » — 3. A et C : Prévoir l’état final d’un système, siège d’une transformation chimique — 4. Élaborer des stratégies en synthèse organique
• Première STI2D et terminale STI2D, programmes de physique-chimie et mathématiques —Partie « Matière et matériaux » / Oxydo-réduction
• Terminale STL, programmes de physique-chimie et mathématiques — Partie « Constitution de la matière » / Réactions d’oxydo-réduction

Suite au tragique incendie de la cathédrale Notre-Dame de Paris le 15 avril 2019, un vaste chantier de rénovation a vu le jour, avec pour objectif ambitieux de reconstruire le monument à l’identique. Quatre ans et demi plus tard, et à un an de sa réouverture au public prévue le 8 décembre 2024, la charpente est achevée et la flèche qui vient tout juste d’être posée culmine à nouveau à 96 mètres de haut. Si le public se réjouit de voir la cathédrale renaître de ses cendres, la prochaine étape de reconstruction de la toiture ravive néanmoins des inquiétudes suite au choix de garder le plomb comme matériau de couverture. En effet, lors de l’incendie, plusieurs centaines de tonnes de ce métal à la toxicité avérée sont parties en fumée et se sont dispersées dans l’atmosphère parisienne.

Comment peut-on mesurer l’impact de l’incendie de Notre-Dame sur la pollution au plomb à Paris ?

Parties des programmes de physique-chimie associées

• Radioactivité et datation
• Terminale, spécialité physique-chimie — Thème « modéliser l’évolution temporelle d’un système, siège d’une transformation » partie B
• Première, enseignement scientifique — Thème « Une longue histoire de la matière »
• Terminale, spécialité SVT — Thème « À la recherche du passé géologique de notre planète »

À travers l’utilisation de documents de nature diverse, issus du site Mediachimie, le lecteur prendra conscience, si ce n’est pas déjà le cas, de la richesse de ce site et pourra poursuivre sa quête d’informations.

 

• Programmes du tronc commun de tous les baccalauréats professionnels dans la discipline « Prévention-Santé-Environnement » - Thématique A : « L’individu responsable de son capital santé ».
• Programmes spécifiques de physique-chimie pour les classes de première et de terminale Bac professionnel propres au groupement de spécialités 5.
  Le Groupement 5 rassemble les spécialités de baccalauréats professionnels mobilisant des compétences professionnelles qui nécessitent de solides connaissances dans le domaine de la chimie. Il réunit les spécialités de secteurs professionnels variés : l’industrie chimique, la bio-industrie, la cosmétologie, la teinturerie, les textiles, la plasturgie, l’esthétique, la gestion des pollutions et la protection de l’environnement, la verrerie, les plastiques et composites…

Le colloque « Chimie et sports » du 7 février 2024 et plus précisément la conférence de Mme Irène Margaritis ( Sport et nutrition : les supplémentations, utiles ou pratique à risque ? ) a été un élément déclencheur de questionnements autour de l’alimentation.

 

Programmes de physique-chimie :

• Terminale générale spécialité physique-chimie : « Constitution et transformations de la matière  raquo;
• Première et terminale ST2S : « Prévenir et sécuriser » et « Analyser et diagnostiquer »

Sitôt cueilli le raisin est pressé et donne un jus (le moût) dans une limite réglementaire : 4000 kg de raisins contenus dans un pressoir classique ne doivent pas fournir plus de 2550 L de moût. Ce dernier contient 18 % de « sucre » et doit contenir au minimum 7,5 % d’alcool pour l’appellation géographique protégée. L’alcool provient d’une réaction de fermentation naturelle. Pour obtenir un vin de champagne il faut augmenter le taux d’alcool. C’est pour cela qu’on ajoute au moût du sucre et des levures sélectionnées, actuellement commercialisées sous forme sèche. Le sucre ajouté est du saccharose (C₁₂H₂₄O₁₂), à raison de 3,36 kg par hL de moût, qui s’hydrolyse en glucose et fructose, deux molécules isomères de formule C₆H₁₂O₆. Ce moût additionné de sucre est fermentescible (1).

La fermentation est une réaction d’oxydoréduction ⁽ⁱ⁾ réalisée par catalyse enzymatique, selon l’équation-bilan suivante :
C₆H₁₂O₆ = 2 CO₂ + 2 C₂H₅OH

Cette première fermentation est réalisée dans des grandes cuves de 20 mètres de haut et de capacité de plusieurs centaines d’hectolitres. La réaction dégage de la chaleur car elle est exothermique (400 kJ/kg de glucose) et les cuves munies d’un dispositif de régulation de température sont en acier inoxydable, matériau à bon coefficient d’échange thermique (2).

Le vin obtenu titre 11 % en alcool et ne possède pas les qualités organoleptiques suffisantes pour un champagne. C’est pour cela qu’on assemble divers vins issus de plusieurs cépages et qu’on ajoute de nouveau du sucre (25 g/L) pour effectuer une seconde fermentation alcoolique conduisant à un vin qui titre environ 13 % en alcool. Cette seconde réaction est réalisée dans des bouteilles épaisses scellées pour supporter la pression du gaz carbonique formé qui atteint à la fin de la fermentation 4,5 bars (3).

Ouverture d’une bouteille de champagne

Le vin de champagne obtenu est alors une solution hydroalcoolique saturée en dioxyde de carbone dissous en équilibre avec une atmosphère de gaz carbonique. La solubilité du CO₂ dépend de la température ; plus cette dernière est basse, plus le gaz est dissous. On montre que si la température varie de 6°C à 20°C la pression varie alors de 4,5 à 8 bars.

Lorsque l’on veut « faire sauter » le bouchon, le CO₂ se détend brutalement dans l’atmosphère ce qui ne permet pratiquement pas d’échange de chaleur avec l’atmosphère : on parle alors de détente adiabatique ⁽ⁱⁱ⁾. Cette diminution de pression s’accompagne d’une diminution de la température. Ce phénomène est bien connu dans les appareils à faire du froid (réfrigérateurs, climatiseurs par exemple).

Or le dioxyde carbone, sous 1 bar, refroidi jusqu’à -78,5°C reste à l’état gazeux mais au-dessous de cette valeur le CO₂ passe directement à l’état solide (qui est le contraire de la sublimation) on obtient ce qu’on appelle la carboglace ou la neige carbonique.

Quand on débouche une bouteille de champagne « mise au frais » à 6°C, la détente de 4,5 à 1 bar du CO₂ conduit à une température de -77°C donc il reste à l’état gazeux. Mais cette détente refroidit l’atmosphère et la vapeur d’eau qu’elle contient. Il y alors condensation de l’eau en très fines gouttelettes d’eau de taille micrométrique qui diffusent la lumière ambiante pour conduire à une teinte blanchâtre.

Cependant lors qu’on débouche une bouteille de champagne à 20°C, la pression varie cette fois de 8 bar à 1 bar et le CO₂ qui se détend voit sa température atteindre -89°C. On obtient alors du CO₂ solide sous forme de neige carbonique avec des cristaux de glace de taille submicronique. Ces derniers diffusent la lumière ambiante vers les petites longueurs d’onde du spectre visible en donnant furtivement un nuage de condensation bleu azur (3).

Ceci n’est pas visible à l'œil, mais a été filmé avec une caméra rapide dans le laboratoire du Professeur Gérard Liger-Belair de l’Université de Reims. On peut observer aussi une onde de choc éphémère qui se propage dans le nuage bleuté qui disparait totalement par évanescence au bout de 2 ms après le débouchage. Ceci est illustré par une vidéo de 6 mn réalisée aussi à Reims dans l’équipe d’effervescence du laboratoire (4).

Observation des phénomènes lors du débouchage des bouteilles à 6°C (a) et 20°C (b) filmées à l’aide d’une caméra rapide (Phanton Flex, E.-U.) au bout de 1,2 ms après le saut du bouchon de champagne.
Crédits : © Equipe Effervescence avec l’aimable autorisation du Professeur Gérard Liger-Belair de l’Université de Reims.

Ce phénomène d’onde de choc est bien connu en aéronautique et dans le spatial car il existe dans le sillage des avions et des fusées volant à des vitesses supersoniques sous forme de « disques de Mach » du nom du physicien et philosophe autrichien Ernst Mach (1838-1916) qui les a mis en évidence la première fois (4).

En conclusion

D’autres phénomènes physicochimiques peuvent être invoqués comme par exemple le pétillement du champagne ou les arômes contenus dans les aérosols des gouttelettes au-dessus des flûtes de dégustation ou les méthodes d’analyse d’authentifications des champagnes.

Je tiens ici à remercier vivement Monsieur le Professeur Gérard Liger-Belair de l’Université de Reims pour avoir accepté de relire cette note et de m’avoir donné l’autorisation d’insérer les deux photographies ci-dessus issues de ses travaux.

Jean-Pierre Foulon

(i) Le glucose est à la fois oxydé en dioxyde de carbone et réduit en éthanol
(ii) La modélisation de la détente adiabatique conduit à la formule : P^1-ϒ T^ϒ = constante où ϒ est le coefficient adiabatique qui dans le cas de CO₂ est égal à 1,3 valeur quasi constante entre 0°C et 20°C.

Pour en savoir plus
(1) Site de l’Union des Maisons de Champagne
(2) Pourquoi y-a-t-il des bulles dans mon champagne ? J.-C. Bernier, Question du mois, décembre 2016, Mediachimie.org
(3) Du terroir à la bulle : la science du champagne, G. Liger-Belair,  L’Actualité Chimique N° 479 (décembre 2022) p 33-41
(4) Pourquoi le champagne pétille ? La réponse de la science qui vous permettra de briller au réveillon, G.Liger-Belair (RTBF, 22 décembre 2023)

 

Dans le cadre du colloque " Chimie et sports en cette année olympique et paralympique " du 7 février 2024 à la Fondation de la Maison de la Chimie, l’équipe de Mediachimie.org vous propose de tester vos connaissances au travers d'un quiz ludique et instructif.

À vous de jouer !

Depuis sa création en 1976, la mission dans laquelle s'engage Decathlon est de rendre accessible le plaisir et les bienfaits du sport à tous les sportifs. Qu’ils soient experts ou débutants, c’est en guidant la conception, le développement et la production d’une vaste de gamme de produits sportifs que Decathlon satisfait les besoins des sportifs.

Decathlon investit massivement dans la recherche et le développement au service de l’innovation, de la performance et du développement durable. Des équipes dédiées d’ingénieurs et designers travaillent en collaboration étroite avec les pratiquants et sur les terrains les plus exigeants. La prise en compte et l’interprétation quotidienne de ces retours d'expérience sont intégrés dans le processus de développement, permettant d'ajuster et d'améliorer constamment les produits en fonction des besoins réels des sportifs.

Le travail avec des sportifs de haut niveau permet de comprendre et de repousser les limites de la technologie. La performance de ces produits révolutionnaires ont déjà permis à ces sportifs de décrocher des médailles dans de nombreuses disciplines comme l’athlétisme, le trail ou encore le tennis.

Decathlon utilise la chimie de manière innovante afin d’améliorer la performance de ses produits, en particulier en ce qui concerne les matériaux utilisés. Les chaussures de sport de Decathlon intègrent des nouveautés chimiques dans la conception des semelles dont les mousses permettent d'optimiser l'absorption des chocs, d'améliorer la stabilité et de garantir un confort maximal pendant l'effort.

Decathlon utilise des textiles techniques issus de développements chimiques pour créer des produits adaptés à différentes conditions météorologiques et offrant des performances optimales en termes de légèreté et de résistance. Cette utilisation de la chimie est également essentielle pour assurer la conformité de nos produits selon des standards exigeants visant à garantir la sécurité des collaborateurs et des utilisateurs.

En résumé, la chimie chez Decathlon est également au centre des solutions d'éco‐conception. En explorant des solutions telles que l’utilisation de teinture écologique, de matériaux recyclés et la substitution de substances nocives, l'entreprise s'engage à réduire l'impact environnemental de ses produits pour préserver la nature et créer de la valeur durable tout en maintenant des performances élevées.

Les données transforment notre quotidien. Ces évolutions impliquent la mobilisation de nouvelles ressources et la construction de nouveaux savoirs et savoir‐faire. Le monde de la performance sportive en est un exemple remarquable via l’émergence de technologies embarqués, de capteurs de toutes sortes, le développement de méthodes d’analyses et des investissements financiers conséquents sur ce champ pouvant générer un avantage concurrentiel.

Cette conférence abordera différents exemples concrets d’apports des données dans le sport de haut niveau en se focalisant sur l’estimation de potentiels, le monitoring et l’estimation de risque de blessures ou encore l’analyse de la concurrence. Bien entendu ces apports seront éclairés par l’aspect concomitant des limites inhérentes à l’utilisation de données et d’exemples ayant instaurer la construction d’une culture data éclairée.

Références :
Sedeaud A., Gagner avec les données : comment mettre les données au service du sport de haut niveau. INSEP éditions. 2024.

Les activités sportives, de loisir comme de haut niveau, sont souvent associées à l’utilisation d’un objet qui caractérise le sport en question. Cela peut être une perche, une raquette, un ski ou une planche de surf, toutes les pièces d’un bateau à voile ou d’un vélo, un arc et des flèches, etc. Ces objets sont fabriqués grâce à des matériaux qui ont évolué au cours de l’histoire. Si les performances sportives dépendent très largement des qualités athlétiques des sportives et des sportifs qui les réalisent, elles dépendent également des qualités de ces objets, de leurs propriétés physiques afin qu’elles soient les mieux adaptées aux sports comme aux athlètes. Dans le cas des sports paralympiques, les athlètes sont susceptibles d’utiliser des équipements complémentaires (exosquelettes) pour suppléer certaines fonctions, par exemple des fauteuils ou des prothèses pour la mobilité. Dans tous les cas, plus ces objets seront optimisés, plus les performances seront élevées. On comprend assez rapidement que parmi les propriétés recherchées, certaines sont particulièrement importantes : la légèreté car beaucoup de ces équipements doivent être portés, la rigidité ou la souplesse nécessaire aux gestes souhaités, le stockage d’énergie et sa restitution au meilleur moment pour les athlètes, la résistance afin de supporter les niveaux élevés de contraintes au cours des performances, ou toute combinaison de ces différentes propriétés, pour ne citer que celles‐ci.

On montrera dans cette présentation, en quoi les matériaux composites [1], répondent bien à ces objectifs. Ils sont constitués de composants bien connus : des renforts (principalement des fibres de verre ou de carbone) et des matrices (des colles) qui les associent en un objet macroscopique. En ajoutant les nombreuses méthodes actuelles de fabrication, y compris la fabrication additive (impression 3D) on peut ainsi obtenir avec ces matériaux, des géométries très variées à toute échelle [2], qui permettent une infinie variation de ces propriétés et confèrent des avantages importants aux sportifs qui utilisent ces équipements. Les matériaux composites [3], sont ainsi capables de répondre avec beaucoup d’efficacité aux challenges proposés dans de nombreux sports et handisports afin de contribuer à l’amélioration des performances.

Références :

1. Y. Rémond, J.F. Caron, Les matériaux composites dans le sport, La chimie et le sport, EDP Sciences, pp. 195‐209, 2011
2. M. Baniassadi, M. Baghani, Y. Rémond, Applied micromechanics of complex microstructures, Elsevier, 2023
3. D. Gay, Matériaux composites, 6ème édition, Lavoisier, 2020