Chimie Industrielle

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Procédés Chimiques de Base Réactions de synthèse: Création de nouvelles substances à partir de réactifs plus simples. Ex: Synthèse de l'ammoniac (Procédé Haber-Bosch). Réactions de décomposition: Décomposition de substances complexes en composants plus simples. Ex: Pyrolyse, craquage. Réactions de substitution: Remplacement d'un atome ou groupe par un autre. Ex: Halogénation. Réactions d'addition: Ajout d'atomes ou de groupes à une molécule insaturée. Ex: Hydrogénation. Réactions d'élimination: Retrait d'atomes ou de groupes d'une molécule. Ex: Déshydratation. Principes Clés Rendement: Quantité de produit obtenu par rapport à la quantité théorique. Rendement (%) = $(\text{masse réelle} / \text{masse théorique}) \times 100$ Sélectivité: Capacité d'un catalyseur ou d'un procédé à favoriser la formation d'un produit spécifique. Taux de conversion: Fraction des réactifs transformée en produits. Efficacité atomique: Mesure de la quantité de réactifs incorporée dans le produit souhaité. Efficacité atomique (%) = $(\text{masse molaire du produit désiré} / \text{masse molaire de tous les réactifs}) \times 100$ Catalyse: Utilisation de catalyseurs pour augmenter la vitesse de réaction sans être consommés. Homogène: Catalyseur et réactifs dans la même phase. Hétérogène: Catalyseur et réactifs dans des phases différentes. Procédés Industriels Majeurs 1. Procédé Haber-Bosch (Production d'Ammoniac) Réaction: $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$ Conditions: Haute pression (150-250 atm), haute température (350-550 °C), catalyseur (Fer avec promoteurs $K_2O$, $Al_2O_3$). Utilisation: Engrais, explosifs, produits chimiques. 2. Procédé de Contact (Production d'Acide Sulfurique) Étapes clés: Oxydation du soufre: $S(s) + O_2(g) \rightarrow SO_2(g)$ Oxydation du dioxyde de soufre: $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$ (Catalyseur: $V_2O_5$, 400-450 °C) Absorption du trioxyde de soufre dans l'acide sulfurique concentré: $SO_3(g) + H_2SO_4(l) \rightarrow H_2S_2O_7(l)$ (Oléum) Dilution de l'oléum: $H_2S_2O_7(l) + H_2O(l) \rightarrow 2H_2SO_4(l)$ Utilisation: Engrais, détergents, batteries, raffinage du pétrole. 3. Craquage du Pétrole Objectif: Convertir les hydrocarbures lourds en hydrocarbures plus légers et plus utiles (essence, alcènes). Types: Craquage thermique: Haute température (jusqu'à 900 °C), haute pression. Craquage catalytique fluide (FCC): Utilisation de catalyseurs zéolithiques à des températures plus basses (450-550 °C). Produits: Alcènes (éthylène, propylène), alcanes ramifiés, aromatiques. 4. Procédé Solvay (Production de Carbonate de Sodium) Réaction globale: $2NaCl + CaCO_3 \rightarrow Na_2CO_3 + CaCl_2$ Étapes clés (simplifiées): Production de $NH_3$: $N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3$ Carbonatation de l'ammoniac: $NH_3 + H_2O + CO_2 \rightarrow NH_4HCO_3$ Réaction avec le sel: $NH_4HCO_3 + NaCl \rightarrow NaHCO_3(s) + NH_4Cl$ Calcination du bicarbonate: $2NaHCO_3(s) \rightarrow Na_2CO_3(s) + H_2O + CO_2$ (Le $CO_2$ est recyclé) Régénération de l'ammoniac: $2NH_4Cl + Ca(OH)_2 \rightarrow 2NH_3 + CaCl_2 + 2H_2O$ Utilisation: Fabrication du verre, détergents, produits chimiques. Matériaux Polymères Polymérisation par addition: Monomères s'ajoutent les uns aux autres sans perte d'atomes. Ex: Polyéthylène, PVC. Exemple: $n CH_2=CH_2 \rightarrow -(CH_2-CH_2)_n-$ Polymérisation par condensation: Monomères se lient avec élimination d'une petite molécule (ex: $H_2O$). Ex: Nylon, PET. Exemple: Acide adipique + Hexaméthylènediamine $\rightarrow$ Nylon-6,6 + $H_2O$ Propriétés: Dépendent de la structure (linéaire, ramifiée, réticulée), du poids moléculaire, de la cristallinité. Opérations Unitaires Courantes Distillation: Séparation de liquides basée sur les points d'ébullition. Filtration: Séparation de solides d'un fluide. Extraction: Séparation de composants d'un mélange à l'aide d'un solvant. Cristallisation: Formation de cristaux solides à partir d'une solution. Absorption: Transfert d'un composant d'une phase gazeuse à une phase liquide. Adsorption: Adhésion de molécules d'un fluide à une surface solide. Échange de chaleur: Transfert d'énergie thermique entre fluides. Réaction: Transformation chimique. Considérations Environnementales et Sécurité Chimie verte: Conception de produits et procédés qui réduisent ou éliminent l'utilisation et la génération de substances dangereuses. 12 Principes de la chimie verte (ex: prévention des déchets, économie d'atomes, catalyse, solvants plus sûrs). Analyse du cycle de vie (ACV): Évaluation des impacts environnementaux d'un produit sur l'ensemble de son cycle de vie. Gestion des déchets: Réduction, réutilisation, recyclage, traitement. Sécurité industrielle: Gestion des risques, protocoles d'urgence, équipement de protection individuelle (EPI). Fiches de données de sécurité (FDS) pour les produits chimiques. Thermodynamique et Cinétique Énergie libre de Gibbs: $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$ $\Delta G $\Delta G > 0$: Réaction non spontanée $\Delta G = 0$: Équilibre Vitesse de réaction: $v = k[A]^x[B]^y$ $k$: Constante de vitesse $[A], [B]$: Concentrations des réactifs $x, y$: Ordres partiels de réaction Énergie d'activation ($E_a$): Énergie minimale requise pour qu'une réaction ait lieu. Les catalyseurs la diminuent. Principe de Le Chatelier: Un système à l'équilibre soumis à une contrainte (température, pression, concentration) se déplace dans une direction qui minimise cette contrainte.