Électronégativité et réaction d’oxydoréduction par voie sèche

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LES DIFFERENTS TYPES DE BIOMASSE

La biomasse botanique peut être divisée en trois grandes catégories : la biomasse à glucide, la biomasse oléagineuse et la biomasse lignocellulosique. (RAKOTOMALALA , R., Ingéniorat ESPA 2012).

Biomasse à glucide

La biomasse à glucide est riche en substances gluci diques. On peut l’hydrolyser facilement. Sa valorisation se fait par conversion biologique, c’est-à-dire par fermentation ou digestion.
Les céréales, les betteraves sucrières, les cannesà sucre constituent la biomasse à glucide. Comme ils font partie de l’alimentation humaine, leur utilisation à des fins énergétiques (éthanol, compost, biogaz, carburant,etc.) doit être équilibrée.

Biomasse oléagineuse

Ce type de biomasse regroupe les plantes riches en lipides fournissant une bonne source d’huile végétale : palmier à huile, coco, tournesol, colza, jatropha, etc. La biomasse oléagineuse est principalement destinée à des finsalimentaires.

Biomasse lignocellulosique

La biomasse lignocellulosique regroupe le bois, les feuilles mortes, la paille, les tiges de maïs et d’autres déchets agricoles et déchets ménagers.
L’étude des réactions mises en jeu dans les procédés thermiques de valorisation énergétique de ce type de biomasse nécessite une connaissance sur sa composition et de sa structure chimique.
La composition moyenne en masse du bois est de :
50 % de carbone : C masse atomique : 12g/mol
6 % d’hydrogène : H masse atomique : 1g/mol
44 % d’oxygène : O masse atomique : 16g/mol
On distingue dans le bois trois catégories de constituants : les extraits, les composés des parois des cellules du bois (bois vivant), les cendres.
Il y a 4 à 15 % d’extraits. Ce sont des produits i ssus de la cellule vivante ou morte à savoir : terpènes, résines, acides gras, tannins etpigments.
Les composés des parois de cellules du bois (masse du bois) sont principalement la lignine et l’holocellulose (cellulose et hémicelluloses). Le taux de lignine varie de 18 à 25 % pour les feuillus et 25 à 35 % pour les résineux par rapport au bois total, et le taux d’holocellulose de 40 à 60 %.
Les cendres représentent en général 1 % de la massetotale. Ce sont principalement des oxydes de Ca, K, Na, Mg, Si, Fe, P pouvant avoir un rôle catalytique dans les réactions de gazéification.
On peut donc dire que la biomasse lignocellulosique est composée d’un polymère complexe, la lignocellulose, qui est elle-même composée de polymères et d’éléments chimiques. Elle est composée de cellulose, hémicellulose et lignine. Les descriptions de ces trois macromolécules sont données en annexe.

Le combustible

Un combustible est un corps susceptible de brûler en présence d’un comburant et d’une source de chaleur (CUNNINGTON, A., LEBRUN, P. , LUGAN, B., & VOGEL, R., 1987). Il peut se présenter sous trois formes dont:
Solide : charbons, coke, bois, etc.
Liquide: mazout, goudrons, pétrole, etc.
Gazeux : gaz de gazogène, gaz de haut fourneau, gaz naturel, etc.
Les données fondamentales caractéristiques d’un combustible sont :
Sa composition chimique qui en définit la nature.
Son pouvoir calorifique qui en définit la valeur énergétique
Composition chimique :
La composition d’un combustible est représentée parles proportions respectives de ses divers constituants, éléments ou composés chimiques, contenus dans une quantité déterminée de combustible. Les proportions sont exprimées soit en masse par unité de masse du combustible (en kilogramme kg) pour les combustibles solides et liquides, soit en volume par unité de volume du combustible (en mètre cube normal Nm3) pour les combustibles gazeux. La composition est obtenue par l’analyse chimique.
Pouvoir calorifique :
Le pouvoir calorifique est la quantité de chaleur dégagée (en kilocalories) par la combustion complète de l’unité de masse (pour les olides et les liquides) ou de l’unité de volume (pour les gaz) du combustible prise à 0°C, l es produits de la réaction étant ramenés à la température initiale (BRAMAND, P., FAYE, P., & THOMASSIER, G., 1982). On distingue le pouvoir calorifique inférieur PCI et le pouvoir calorifique supérieur PCS.
PCI : l’eau issue de la combustion est supposée rester à l’état vapeur.
PCS : l’eau issue de la combustion est supposée rester à l’état d’eau condensée.

Potentiel d’ionisation et affinité électronique

La formation d’un cation nécessite une énergie correspondante au transfert d’un ou plusieurs électrons depuis son état fondamental vers un état excité. Le travail nécessaire pour effectuer ce transfert est appelé « potentiel d’ionisation » (DOMANGE, L., 1978). Elle est définie comme l’énergie à fournir à un élément pourlui enlever un électron.
Les éléments plus électronégatifs ont tendance à pterca des électrons pour saturer leur couche externe et satisfaire la règle de l’Octet. Cette captation se fait avec une libération d’énergie. « L’affinité électronique est la quantité d’énergie libérée quand un électron, attiré par le noyau, s’ajoute à un atome pris à l’état gaz eux dans son état fondamental » (DOMANGE, L., 1978).

Liaison chimique

Dans une liaison ionique, les ions sont de dimensions inégales et les nuages électroniques des deux éléments liés sont déformésLa. liaison n’est pas centrée sur leurs noyaux respectifs. Il y a polarisation des ions.
Dans une liaison covalente entre deux atomes, les nuages électroniques sont régulièrement repartis autour des noyaux. La liaison résulte de la distribution électronique de l’ensemble des atomes liés. Elle est polaire si la différence des électronégativités des deux atomes formant la molécule n’est pas nulle.

Coefficients d’électronégativité

Pauling, chimiste américain, en 1869, a pu dresserune échelle, appelée « échelle de Pauling », sur le pouvoir d’attraction pour les électrons des éléments de la classification périodique qui n’est autre que le coefficient d’électronégativité d’un élément.

REACTION D’OXYDOREDUCTION PAR VOIE SECHE

Une réaction d’oxydoréduction par voie sèche est une réaction entre un oxydant et un réducteur sans échange directe d’électrons. La réaction se fait en absence de l’eau à l’état liquide. (BAUTRANT, R., & JAUBERT, A., 1982).
Un oxydant est une espèce chimique dont le nombre d’oxydation peut diminuer.
Un réducteur est une espèce dont le nombre d’oxydation peut augmenter.

PROPRIETES DES GAZ

STRUCTURE LACUNAIRE D’UN GAZ

Les molécules qui constituent les gaz sont très espacées. Les gaz contiennent des espaces vides dans lesquels les molécules peuvent se déplacer en fonction du comportement du gaz. (BARROW, G., 1976)
Au cours de la compression d’un gaz, les volumes propres des molécules demeurent inchangés mais l’espace entre chaque molécule diminue. Cela entraîne la diminution de l’espace vide dans le gaz. Ainsi, les gaz peuvent occuper les volumes qu’on leur donne. Ils sont compressibles et expansibles.

É QUATION D’ETAT D’UN GAZ

On peut distinguer deux types de gaz : les gaz parfaits et les gaz réels. Les gaz parfait obéissent à la loi de Boyle-Mariotte et Gay Lussac.

Loi de Boyle-Mariotte et Gay Lussac :

La loi de Boyle-Mariotte décrit une relation entre le volume d’un gaz et sa pression.
Le volume et la pression sont inversement proportionnels.
Par la suite, Gay Lussac a découvert, en 1808, la relation entre le volume et la température d’un gaz, la pression étant maintenue onstantec (BARROW G. M., 1976). Le volume et la température du gaz varient proportionnellement à pression constante.
Ainsi, l’équation d’état d’un gaz parfait est: PV = nRT
P : pression en Pascal (Pa)
V : volume du gaz en mètre cube (m3)
n : nombre de moles
R : constante des gaz parfaits avec R = 8,3143J.K-1.mol-1
T : température en Kelvin (K)

Équation d’état des gaz réels ou de Van der Waals:

Un comportement en accord avec la loi des gaz parfaits PV = nRT n’est suivi qu’approximativement par presque tous les gaz appelés gaz réels ou gaz imparfaits.
Pour les gaz réels, l’équation d’état s’écrit commesuit : Pv = RT (1+bP)
v : volume molaire du gaz.
b : caractéristique du gaz en fonction de la température.

THEORIES CINETIQUES DES GAZ :

Un gaz est représenté par un ensemble de moléculesen mouvement. Les molécules sont animées d’un mouvement continu et désordonnéChaque. molécule entre en collision avec d’autres molécules et les parois du récipienten plusieurs fois dans un intervalle de temps. Les collisions sont parfaitement élastiques .Entre chaque choc élastique, la direction de la molécule est une droite. Après chaque choc, sa direction est modifiée et sa vitesse varie. La moyenne des vitesses, à une température donnée, estcaractéristique du gaz. Elle demeure inchangée à une température donnée. (BARROW, G., 1976)
La théorie cinétique permet de préciser les caractéristiques de cette agitation moléculaire. L’accroissement de la pression d’un gaz fait accroî tre la vitesse moyenne des molécules. Ainsi, l’énergie cinétique microscopiquedu gaz augmente avec la pression du gaz. Cela permet de tirer une relation par entre l’énergie cinétique microscopique du gaz et l’élévation de la température.

RAPPELS DE THERMODYNAMIQUES

NOTION DE SYSTEME

On appelle système l’espace limité par une surfacebien définie, dans lequel se situe la matière étudiée. L’espace qui entoure le système constitue le milieu extérieur.
Un système ouvert échange de la matière et de l’énergie avec le milieu extérieur.
Un système fermé n’échange pas de la matière avece lmilieu extérieur.
Un système isolé n’échange ni matière ni énergieecavle milieu extérieur.
Un système est adiabatique s’il n’échange pas de lachaleur avec le milieu extérieur.
L’état d’un système est défini par des grandeurs peléesap variables d’état (P, V, T, n).

TRANSFORMATION THERMODYNAMIQUE

Un système thermodynamique peut évoluer entre des tatsé différents. Le passage de l’état initial d’un système vers un autre état final est appelé transformation. Elle peut être réversible ou irréversible.
Une transformation adiabatique est une transformation au cours de laquelle il n’y a pas d’échange de chaleur avec l’extérieur.
Une transformation isotherme est une transformation à température constante.
Une transformation isobare est une transformation à pression constante.
Une transformation isochore est une transformation à volume constant.
Une transformation isentropique est une transformation adiabatique réversible.
Un cycle thermodynamique est une transformation au cours de laquelle l’état final est rigoureusement identique à l’état initial.

LES DEUX PRINCIPES DE LA THERMODYNAMIQUE

1 er principe : principe de conservation

À tout système fermé est associé une fonction d’éta U appelée énergie interne telle que dans toute transformation on ait ∆U + ∆K = W + Q. (BAILLY, M., 1971)
U est l’énergie interne du système correspondant enquelque sorte à l’énergie stockée par le système à l’occasion de ses échanges avec l’extérieur.
K est l’énergie cinétique microscopique du système.
W est le travail des forces extérieures appliquées ur le système.
Q est la chaleur reçue par le système.

2 ème principe : notion d’entropie

À tout système fermé S, on peut associer une fonction d’état extensive appelée S qu’on appelle « entropie » dont la variation lors de toute transformation élémentaire du système est la somme de deux contributions deS et diS. (BARROW, G., 1976) dS = deS + diS
deS est la variation de l’entropie dû aux échanges de chaleur avec l’extérieur. Elle est égale à zéro si la transformation est adiabatique.
diS est la variation interne de l’entropie.
Une transformation est irréversible si diS > 0.
Elle est réversible si diS = 0. Alors, dS = deS = 9:;, T étant la température absolue du système.

MODULES D’APPRENTISSAGE

La première partie nous a donné l’occasion de faireune étude bibliographie sur les savoirs savants concernant la biomasse et l’énergie. Cette seconde partie est réservée à la présentation du didacticiel et les séquences d’enseignement/apprentissage que nous avons élaborés aboutissant à la mise en œuvre des savoirs à enseigner.
Elle propose deux modules bien distincts. Dans le premier module, on parlera de la gazéification de la biomasse. Dans le second, on abordera la conversion énergétique du gaz de gazéification en électricité.

CARACTÉRISTIQUES DU DIDACTICIEL

CONCEPTION DU DIDACTICIEL

Ce didacticiel est compatible avec Windows et peut fonctionner avec ou sans adobe flash player. Il contient des images, des vidéos etdes animations flash. Il a été élaboré à partir de quatre logiciels : SketchUp, Adobe Photoshop CS6, PowerPoint 2013 et Adobe Flash CS6.
Le logiciel SketchUp a permis de concevoir les images en trois dimensions. Il est disponible sur le navigateur Web, gratuit et facile à manipuler par rapport aux autres logiciels de même fonction. Adobe Photoshop CS6 permet de rendre plus attractif les images.
Les vidéos ont été réalisées avec PowerPoint 2013tsonte ensuite converties en format vidéo .flv pour être accessibles au document flash.
Adobe Flash CS6 nous a servi à créer les animations et les pages du didacticiel. Le langage Action Script utilisé est la version 1.0 &2.0.

SUGGESTION D’UTILISATION DU DIDACTICIEL

Il est destiné aux élèves des classes premières scientifiques et des classes de terminale qui veulent approfondir leur connaissance. Il est conçu principalement pour un enseignement/apprentissage en présentiel où l’enseignant joue le rôle de facilitateur, conseiller technique et animateur pédagogique. Les élèves peuvent être par exemple groupés en petites équipes et l’enseignant suscite et anime les phases de discussions entre élèves, anime les phases de confrontation des résultats obtenus par les élèves avec ceux proposés par le didacticiel. Toutefois, cette ressource numérique peut aussi être utilisée par l’apprenant « en autonomie » dans le cadre d’une autoformation didacticiel.

OBJECTIFS DU DIDACTICIEL

Ce didacticiel vise à faire adopter une autre appr oche dans l’enseignement/apprentissage : introduire une leçon par le biais d’une étude documentaire, d’une lecture d’information. L’étude de la biomasse par exemple ne figure pas dans le programme scolaire en Physique et Chimie mais on peut bien l’exploiter pour renforcer les acquis des élèves sur les réactions d’oxydoréduction. De cette façon, l’élève s’intéresse beaucoup plus à la science que ce soit la physique ou la chimie et même la science de la vie et de la terre. On cherche alors à habituer l’apprenan t à l’activité scientifique par le biais de la lecture d’information.
Ce qui caractérise ce didacticiel, c’est qu’un centre de documentation y est disponible, un centre attractif et facilement accessible. Quand l’apprenant est face à un problème, on l’habitue à trouver lui-même la solution en lui proposant de se documenter. De ce fait, augmenter l’esprit d’observation, d’analyse et de s ynthèse des élèves fait partie des compétences à développer chez l’apprenant.
Il s’agit aussi ici d’éveiller sa curiosité, son imagination, sa créativité, d’améliorer son sens de communication et de renforcer sa capacité de collaboration dans le cadre d’un travail en groupe.

Table des matières

INTRODUCTION
Partie 1. REPÈRE THÉORIQUE
I. L’énergie
I.1 – Les différentes formes de l’énergie
I.2 – Principe de conservation de l’énergie
I.3 – Le stockage de l’énergie : cas de la photosynthèse
I.4 – Rendement d’une conversion énergétique
II. La biomasse
II.1 – Définition
II.2 – Les différents types de biomasse
II.3 – Les différentes voies de valorisation de la biomasse
III. Traitement thermochimique de la biomasse lignocellulosique
III.1 – Combustion
III.2 – Pyrolyse
III.3 – Gazéification
IV. Électronégativité et réaction d’oxydoréduction par voie sèche
IV.1 – Organisation des électrons d’un atome par couche
IV.2 – Règle de l’Octet
IV.3 – Électronégativité
IV.4 – Réaction d’oxydoréduction par voie sèche
V. Propriétés des gaz
V.1 – Structure lacunaire d’un gaz
V.2 – Équation d’état d’un gaz
V.3 – Théories cinétiques des gaz :
VI. Rappels de thermodynamiques
VI.1 – Notion de système
VI.2 – Transformation thermodynamique
IV.3 – LES DEUX PRINCIPES DE LA THERMODYNAMIQUE
VII. Production de l’électricité
VII.1 – Turbine à gaz
VII.2 – Alternateur
Partie 2. MODULES D’APPRENTISSAGE
I. CARACTÉRISTIQUES DU DIDACTICIEL
I.1 – Conception du didacticiel
I.2 – Suggestion d’utilisation du didacticiel
II. OBJECTIFS DU DIDACTICIEL
III. STRUCTURE DU DIDACTICIEL
III.1 – Déroulement de l’enseignement/apprentissage
III.2 – Structure du premier module d’apprentissage
III.3 – Structure du second module d’apprentissage
IV. SÉQUENCES D’APPRENTISSAGE
IV.1 – Le menu du didacticiel
IV.2 – Présentation du didacticiel
IV.3 – Le premier module d’apprentissage : gazéification de la biomasse
IV.4 – Le second module d’apprentissage : production de l’électricité
CONCLUSION
ANNEXE

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