Utilisation du charbon comme source d’énergie.Le charbon remplace le bois comme principale source d’énergie aux Etats-Unis vers 1890. La première centrale électrique au charbon, utilisant la vapeur pour produire de l’électricité est construite en 1882. En 1884, Charles Parsons développe une turbine à vapeur à la fois très rapide et très efficace. Dans les années 1920, l’utilisation de la poudre de charbon permet une meilleure efficacité et une réduction d’air dans les procédés de combustion. En 1940, le four cyclone utilise du charbon de moindre qualité et produit moins de cendres. Un procédé chimique développé récemment permet de produire de l’électricité à partir de la combustion de déchets de mines de charbon tout en minimisant l’effet sur l’environement.

Energie nucléaireLe premier réacteur nucléaire fut développé en 1942 à des fins militaires. L’utilisation du nucléaire à des fins pacifistes, en particulier pour la production d’électricité commence en 1952 avec le programme “Atome pour la Paix” initié par le Président américain Eisenhower. La chimie a, depuis lors, joué un role important dans ce domaine, notamment en produisant les matériaux radioactives utilisés dans les réacteurs et les composants des tiges de contrôle permettant de réguler le flot de neutrons provenant de la décomposition radioactive, et en mettant au point les procédés de recyclage des ces tiges de contrôlees et des déchets nucléaires tout en assurant la protection de l’environement et en minimisant les effets néfastes des radiations. Sources d’énergie alternatives

L’électricité générée par des méthodes dites “vertes”, telles que le vent, les centrales hydroélectriques et géothermiques compte pour moins de un pour cent dans la production mondiale d’électricité. Cependant, l’utilisation de ces méthodes joue un rôle de plus en plus important, sur le plan économique de même que sur le plan de la disponibilité des ressources énergétqiues. La chimie a eetee à l’origine du deevelopment des panneaux solaires permettant la production d’énergie thermique et photovoltaique, des matériaux légers à base de fibres de carbon utilisés dans les hélices des éoliennes, du béton et des métaux utilisés dans les turbines des centrales hydroélectriques et des matériaux résistants à la corrosion utilisés dans la production d’énergie géothermique.

I. ENERGIE ET TRANSPORTS

I.1. Les Sources d’Energie

Charles Parsons

La turbine à vapeur

inventée par Parsons (1907)

Forage et production de pétroleEn 1901, l’émergence de l’automobile et en même temps la découverte, au Texas d’une vaste étendue de pétrole et en même temps signale le début de la domination du pétrole sur le charbon comme source principale d’énergie. Une domination qui sera complète dès 1951. Depuis lors, les procédés chimiques de raffinage du pétrole brut pour en séparer les différentes fractions chimiques n’ont cessé de progresser, allant de la simple distillation à pression atmosphérique vers une distillation sous vide en passant par le cracking thermique et l’utilisation de catalyseurs. La chimie est aussi très présente dans les opérations de forage utilisant des mèches de forage en diamant et des procédés de forage basés sur des combinaisons de composés chimiques et de vapeur. D’autres processus d’extraction du pétrole consistent à pomper du gas (dioxyde de carbone) sous haute pression or de solutions aqueuses dans les puits de forages.

I. ENERGIE ET TRANSPORTS

I.2. Stockage d’énergie électrique et batteries

Piles à usage uniqueDepuis la fin des années 1700, quand Alessandro Volta metta au point le stockage de l’énergie électrique, la chimie n’a cessé de participer aux améliorations subvenues dans le domaine des piles et batteries. En 1890, la pile au carbone-zinc sans électrolyte représente un progrès comparée à celle du modèle Leclanché. Cette pile produite à l’échelle commerciale pour être utilisée dans les lampes de poche est encore disponible de nos jours. En 1949, l’invention d’une nouvelle pâte alcaline permet d’améliorer la L’usage de ces pile alcaline s’est rapidement répandu pour les appareils électroniques portatifs et les appareils photo. Depuis lors, de nouveau modèles de piles à base d’oxyde d’argent, de mercureou de lithium ont vu le jour.

Piles rechargeables

En 1859, la batterie rechargeable à base de plomb et acide fut le premier exemple commercial de l’utilisation contrôlée d’une réaction chimique pour produire de l’électricité. Améliorée continuellement depuis 1881, la batterie à base de plomb et acide continue d’être le modèle de batteries le plus utilisé dans les voitures et les camions. Les batteries rechargeables au nickel-cadmium, fabriquées pour la première fois en 1899, n’étaient pas commercialement compétitives. Les récents développements en matière de batteries se sont principalement intéressés à l’utilisation du lithium. Après une tentative ratée d’utiliser du lithium métallique, dans les années 1980, les batteries à base d’ions lithium sont maintenant d’utilisation courante dans les téléphones et les ordinateurs portables.

Pile au carbon-zinc

Piles rechargeables

I. ENERGIE ET TRANSPORTS

I.3. Matériaux pour les routes et les ponts

Le BétonLe succès de l’ambiteux projet de construction d’un système autoroutier à travers les Etats-Unis dans les années 1950 dépendait largement de la solidité et infaillibilité du béton utilisé la construction des routes et des ponts. Le ciment de Portland, d’abord inventé en 1824 et breveté comme ciment renforcé par le français Joseph Monier en 1877, se solidifie lentementgrâce à une réaction chimique complexe dans laquelle le ciment sous forme de pâte remplit le vide existant entre des particules et autres matériaux de renforcement. La solidité et durabilité du béton dépend de la formulation utilisée dans la fabrication du ciment. L’addition de different composés chimiques, matériaux ou autres additifs dans le mélange de base du béton peut diminuer l’effet de contraction pendant la solidification du béton ou améliorer sa résistance à la corrosion.

L’asphalteLe asphalte est certainement le matériau le plus populaire et le plus couramment utilisé pour la construction des routes en raison de son bas coût et de sa filabilité. L’asphalte naturel fut découvert en 1595, mais il ne fut pas mélangé avec du goudron de houille et utilisé comme revêtement de chaussées avant 1902. Le bitume, un résidu solide ou semi-solide issu de la raffinerie du pétrole remplaça rapidement l’asphalte naturel pour le revêtement des routes. Des polymères synthétiques ont récemment été ajoutés pour améliorer la qualité et la durabilité de l’asphalte. Le Super Revêtement est la dernière technique récemment mise au point pour fabriquer un asphalte de qualité supérieure résistant ausi bien aux poids lourds qu’à des conditions climatiques défavorables.

Les Métaux et AlliagesL’acier devint le matériau de choix pour la construction de ponts en raison de sa légèreté, sa solidité, sa durabilité , sa facilité d’entretien et de fabrication, du bas coût pour son édification et sa résistance aux catastrophes naturelles comme les tremblements de terre. Les nouveaux aciers hautement performants introduits dans les années 1990 ont une meilleure solidité et une meilleure résistance à la corrosion. Une autre technologie développée pour protéger l’acier utilisé dans la construction des ponts est un procédé connu sous le nom de métallisation dans lequel de l’aluminium ou du zinc est vaporisé sur la surface de l’acier et forme une couche de protection qui peut durer juqu’à 30 ans.

Les Technologies pour l’entretien et la réfectionLes infrastructures routières doivent être entretenues sur une longue période de temps, quelle que soient les conditions météorologiques et sans leur causer de nouvelles dégradations. Les récentes innovations dans le domaine des matériaux de construction et d’entretien ont permis d’espacer les reconstructions de routes au cours du temps. Les mastics utilisés pour le béton, l’asphalte et l’acier jouent un rôle important pour prolonger le bon état des routes. D’autres composés chimiques et polymériques peuvent aussi être utilisés comme liants et scellants pour améliorer la performance de l’asphalte. Par exemple, l’addition du composé styrène-butadiène-styrène permet de réduire la formation de cracks et de d’ornières.

I. ENERGIE ET TRANSPORTS

I.4. Carburants

Additifs pour carburantsLes premiers moteurs de voitures “claquaient” en raison de l’essence de qualité médiocre qui était utilisée. En 1921, le tétraéthyle de plomb fut ajouté à l’essence de façon à ce que les moteurs fonctionnent plus régulièrement et plus silencieusement.. Vers 1926, un système basé sur le taux d’octane est introduit pour évaluer la qualité de l’essence (taux de tolérance à la compression). L’utilisation d’additifs au plomb a été arrêtée dans les années 1970 du fait qu’ils pouvaient polluer l’environement. De nos jours, de petites quantités de composés chimiques (alcools, éthers) sont régulièrement ajoutés à l’essence pour améliorer le taux d’octane et les performances de l’essence (désactivateurs de métaux), réduire les frictions dans le moteur et augmenter la longévité des moteurs (détergents). Des additifs chimiques sont aussi utilisés mais de façons saisonnières dans certaines zones géograhiques difficiles, comme par exemple l’addition de méthanole pour empêcher les lignes d’arrivée d’essence de geler.

Production de carburants à partirde pétrole brutDe façon à améliorer la récupération de carburants à partir du pétrole brut, les raffineries utilisèrent d’abord le processus appelé cracking thermique (1913) dans lequel la chaleur décompose les larges molécules de pétrole en plus petites molécules présentes dans les carburants. Cependant, ces traitements avec de fortes températures résultèrent aussi dans la formation d’indésirables sous-produits et le cracking thermique fut remplacé en 1928 par le procédé de distillation sous-vide qui fonctione à des températures bien plus basses. L’utilisation d’un catalyseur inerte (cracking catalytique) plutot que des hautes températures dans le procédé de cracking fut développé en 1936 par Eugene Houdry, introduit sur le marché en 1937, et changea rapidement le processus de raffinage du pétrole.

Convertisseurs catalytiquesLes convertisseurs catlytiques à deux zones furent créer en 1975 pour contrôler les émissions de monoxyde de carbon et d’hydrocarbures. Très vite après, une troisième zone fut ajouté pour l’élimination des oxydes d’azote des fumées d’échappement. Les convertisseurs catlytiques fonstionnent à partir d’une séries de réactions chimiques se produisant autour d’un métal, en général du platine agissant en tant ue catalyseur. Les oxydes d’azote sont convertis en azote et oxygène gazeux, le monoxyde de carbon est changé en dioxyde de carbone et les hydrocarbures restants sont transformés en eau et dioxyde de carbone.

Convertisseur catalytique à trois

zones

Raffinerie de pétrole

I. ENERGIE ET TRANSPORTS

I.5. Automobiles

Matériaux de pointe pour le design, le confort et la sécuritéLes voitures du 21ième siècle ressemblent très peu à leurs prédécésseurs en ce qui concerne leurs formes, leur confort et la sécurité des passagers. Des phares de haute intensité permettent maintenant une illumination maximale la nuit. Les problèmes liés à la corrosion ont été nettement réduits grâce à l’utilisation de peintures et films de protection spéciaux. La qualité et la température de l’air intérieur peuvent être controlées par l’utilisation de composés chimiques réfrigérants circulant en système fermé. Un verre de sécurité utilise pour les voitures fut créé en 1914. Maintenant des polymères spéciaux enduisent le verre pour diminuer le poids des vitres et pare-brise, pour réduire le bruit extérieur et pour protéger contre les éblouissements et les radiations ultra-violettes. En matière de sécurité, les innovations incluent les fibres de polymères incorporées dans les ceintures de sécurité (obligatoires depuis les annés 1960 in the 1960s) et les air bags (obligatoires en 1996).

Les composés en plastiqueLa diminution du poids des voitures grâce à l’utilisation de pièces en matière plastique plutôt qu’en métal et la création de nouveaux matériaux de haute performance fut possible grâce aux progrès de la chimie. Après la deuxième guerre mondiale, les constructeurs automobiles commencèrent à utiliser des polymères synthétiques dérivés du pétrole pour la fabrication de pièces détachées rigides en raison de leur solidité, dureté et résistance aux intempéries. Après la crise de l’énergie des années 1970, les métaux furent remplacés par des matériaux plus légers de façon à améliorer l’efficacité énergétique. Les applications en matière de design incluent: Des formes de carrosseries complexes fabriquées par injection et moulage de polymères, des pare-chocs en thermoplastiques, des fibres de polypropylène pouvant être teintes et qui sont résistantes à la lumière ultra-violette, des peintures, revêtements et adhésifs spéciaux.Fibres de

polypropylène

La technologie du pneuLes produits fabriquées à partir du caoutchouc naturel apparurent au début des années 1800, mais n’étaientpas utilisables, en raison de la souplesse du caoutchouc et de sa fragilité et tendance à se briser en cas de chaleur ou de grand froid.. Un inventeur américain, Charles Goodyear, inventa le procédé de vulcanisation du caoutchouc naturel en 1839 dans lequel les liaisons non saturées du caoutchouc réagissent avec du soufre. Ce procédé basique est encore utilisé avec des composés chimiques accélérants et stabillisateurs. En 1945, le caoutchouc synthétique était produit de façon commerciale. En raison d’une demande croissante pour des pneus, d’autres améliorations furent apportées, comme par exemple, le remplacement des pneus en caoutchouc pleins par des pneus à chambre à air, le renforcement des pneus avec des fibres naturelles ou synthétiques pour limiter l’usure, et finalement les débuts des pneus sans chambre à air.

I. ENERGIE ET TRANSPORTS

I.6. Aéronautique

Ballons à air chaudDepuis 1783, date à laquelle le premier humain s’envola dans un ballon propsulsé par de l’air chaud venant d’un brûleur, les innovations en matière de montgolfières ont été révolutionaires. L’air chaud fut rapidement remplacé par de l’hydrogène, plus facile à contrôler. Les déplacements en montgolfières sont en fait devenus un sport très populaire qui compte plus de 5000 pilotes de montgolfières aux Etats-Unis. La contribution de la chimie dans ce domaine se définit par l’utilisation de toiles en nylon bon marché et pourtant très solides et résistantes à la chaleur et par la fabrication de propane liquide utilisé dans la propulsion. Hélium

En dépit de leurs structures rigides, les ballons à hydrogène, tels que le tragiquement fameux Hindenbourg (1937), ont toujours été victimes du problème de sécurité associé à la fammabilité de l’hydrogène. En 1905, deux chimistes découvèrent de l’hélium naturel en abondance dans in gisement de gas dans l’état du Kansas. Pendant la première guerre mondiale, technologies issues de la chimie permirent l’extraction, le stockage et le transport de grandes quantités d’hélium. Durant la deuxième guerre mondiale des dirigeables à hélium escortaient les troupes et les vaisseaux de ravitaillement traversant des zones patrouillées par des sous-marins. Dans les années 1950, l’hélium fut utilisé comme gas pour la soudure dans la construction de fusées et comme gas propulsant le carburant dans le moteur des fusées.

Les carburants pour les fusées et navettes spatialesAvec les premiers tests de lancement de fusées dans les années 1920, en passant par les satellites de communication dans les années 1950 et la création d’une navette spatiale réutilisable dans les années 1980, l’aventure humaine dans l’espace a été un incroyable succès de l’ingénérie. Le succès des voyages spatiaux dépend de la poussée de vitesse que possèdent les fusées pour se soustraire à la gravitation de la Terre. La première fusée lancée en 1926 utilisait un carburant liquide et de l’oxygène liquide comme oxydant. Par la suite, différents carburants et oxydants furent utilisés sous forme liquide ou solide. La navette spatiale utilise de l’hydrogène liquide comme carburant, bien que les moteurs de lancement utilisent un carburant solide à base d’aluminium et d’ammonium perchlorate comme oxydants.

Matériaux de construction pour les avions et les fusées.La technologie chimique a apporté de nombreuses ameliorations dans le design des avions en permettant de substituer des matériaux sophistiqués au bois et tissu utilisés précédemment. Des alliages à base d’aluminium et de titane furent développés pour procurer plus de solidité, de légèreté et résistance aux fortes températures et à la corrosion aux nouveaux avions. La fabrication des fusées nécessite l’emploi de matériaux spéciaux en raison des conditions extrêmes sous lesquelles les fusées fonctionnent. Par exemple, le matériau Un exemple récent (dans les années 1980) est le revêtement en matériaux spéciaux utilisé dans des endroits critiques de la surface de la navette spatiale pour la protéger des fortes températures lors de sa ré-entrée dans l’atmosphère. Après avoir essayé d’utiliser un matériau composite rare à base de zirconium, un revêtement composé de fibres de silice dérivée du sable ordinaire.

La catastrophe du dirigeable Hindenbourg

(1937)