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Olympiades de Physique Paris, les 23, 24, 25 Novembre 2000 |
LYCEE POTHIER – Orléans – France
LYCEES FARZANEGAN – Karadj - Iran
AVERTISSEMENT
Le thème de l’étude a été proposé par un groupe d’élèves et leur professeur des lycées de filles et de garçons de Karadj (Iran). En effet, la pollution de l’air, en particulier par le plomb, est un réel problème dans les sites urbains iraniens.
L’étude a été menée en France, durant l’année scolaire 1999 – 2000 par trois élèves de 1S lors des Travaux Personnels Encadrés (TPE). Elle s’est terminée par l’étude critique de la méthode d’analyse chimique. L’analyse quantitative expérimentale physique n’a pas été réalisée en France. Par contre, elle a été effectuée en Iran.
Des élèves iraniens ont présenté, en anglais, leur étude.
Quant aux élèves français, ils ont tenté de décrire la démarche de leurs camarades, de prolonger leur réflexion et d’analyser le travail.
SOMMAIRE
| CHAPITRE 1 : Connaître avant d’agir 1. Les principales sources de pollution par le plomb 2. Les effets 3. Les normes 4. Les méthodes d’analyse CHAPITRE 2 : Expérimenter, pas si simple ! CHAPITRE 3 : Analyser pour comprendre BIBLIOGRAPHIE |
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CHAPITRE 1
Connaître avant d’agir
Composé principalement de diazote (78%), de dioxygène (21%) et d’argon (0,95%), l’air est actuellement plus ou moins contaminé par des polluants gazeux, liquides ou solides.
Le plomb en fait partie.
A l’heure actuelle, en France, la surveillance du plomb particulaire atmosphérique est effectuée dans 13 villes, à proximité des grandes voies de circulation. D’autres mesures sont effectuées sur des sites industriels. Bien que la teneur en plomb ne fasse plus partie des indicateurs de pollution atmosphérique liée au trafic automobile, sa toxicité, même à très faible dose, mérite qu’on le traque.
Aucune mesure n’étant effectuée sur ce sujet à Orléans, nous étions prêts à combler cette lacune !
naturelle :
Le volcanisme, l’érosion éolienne des sols et des roches sont les causes principales d’émissions naturelles de plomb.
humaine :
Le trafic automobile
C’est une source de pollution diffuse, constituée d’une multitude d’émetteurs.
L’addition de plomb dans les essences avait pour but d’augmenter l’indice d’octane afin de permettre aux moteurs de fonctionner avec des taux de compression élevés, sans risque de détonation du mélange air - essence. Par ailleurs, le caractère lubrifiant des additifs plombés assurait une bonne protection des soupapes.
La teneur en plomb des supercarburants est passée de 0,7g.L-1 il y a 30 ans à 0,15 g.L-1 ces dernières années. La suppression du plomb dans les essences a été réalisée non pas, comme on pourrait le croire, pour diminuer la pollution de l’air par le plomb mais pour éviter la destruction des pots catalytiques des voitures mises en vente alors, sur le marché.
En 1998, la consommation de super plombé représentait moins d’un tiers de la vente des carburants auto. Pour que certains véhicules " anciens " puissent fonctionner au carburant sans plomb, il a été fabriqué un carburant à haut indice d’octane (98/88) susceptible d’éviter le cliquetis des moteurs. Cependant tous les véhicules ne pouvaient l’utiliser en raison de la métallurgie des soupapes insuffisante pour tenir en température.
Consommation française en carburants essences en milliers de tonnes
(source : ELF)
1979 |
1996 |
1997 |
1998 |
1998/1997 |
|
Essence |
3021,1 |
/ |
/ |
/ |
/ |
Carburant plombé |
6608,4 |
5727 |
5021,2 |
-12,3% |
|
Carburant sans plomb 95 |
2159,1 |
2825,2 |
3494,9 |
+23,7% |
|
Carburant sans plomb 98 |
6230,3 |
6081 |
6033,9 |
-0,8% |
Conséquence : On observe une baisse spectaculaire de la teneur en plomb dans les principales agglomérations.
Le super plombé est retiré de la vente au 1/1/2000. Il est remplacé par un super additionné de potassium pour les véhicules anciens non équipés de pots catalytiques. Cependant, une très faible fabrication subsiste pour les voitures de collection.
L’incinération de déchets
L’incinération de déchets ménagers est susceptible d’être à l’origine d’émission d’acide chlorhydrique et de métaux lourds tels que le cadmium, le plomb ou le mercure.
L’arrêté du 25/1/1991 relatif aux installations d’incinération de résidus urbains et la directive 94/67/CE concernant l’incinération des déchets dangereux fixent des normes d’émission. Le respect de ces normes nécessite le traitement des effluents.
Les procédés industriels spécifiques
Les principaux secteurs industriels concernés, outre l’industrie de l’extraction et du traitement des minerais, sont notamment, la fabrication de câbles, de colorants pour émaux et peintures (minium, céruse, jaune de chrome…), la cristallerie, la fabrication et le recyclage des batteries d’accumulateurs.
Flux moyens des rejets atmosphériques pour le plomb (et ses composés)
Source : Ministère de l’aménagement du territoire et de l’environnement
1986 |
1990 |
1993 |
1995 |
1997 |
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Flux moyen sur l’année (kg/j) |
0.09 |
1,29 |
1,77 |
1,04 |
1,20 |
En région Centre et en particulier dans le Loiret, une entreprise, la Société de Traitement Chimique des Métaux (S.T.C.M) installée à Bazoches-les-Gallerandes récupère et recycle les accumulateurs.
Six millions de batteries sont mises au rebut chaque année en France. Les batteries collectées sont vidées de leur acide sulfurique qui est stocké puis neutralisé en centre spécialisé. Elles sont ensuite broyées. Le plomb et l’enveloppe de polypropylène sont séparés puis recyclés.
La collecte des batteries permet ainsi le recyclage de 90 000 t de plomb par an, soit la moitié du tonnage recyclé en France.
Rejets cumulés par département – symboles proportionnels aux flux
(valeur basse : 0,22 kg/j – valeur haute : 73,05 kg/j)
Source : ministère de l’aménagement du territoire et de l’environnement (novembre 1998)
Sur l’environnement
Le plomb, comme les autres métaux lourds, n’est pas toxique pour la vie du végétal mais s’accumule à la surface des plantes. Les végétaux destinés à la consommation humaine (fruits et légumes surtout) ou animales (fourrages) représentent un risque de contamination pour la chaîne alimentaire.
Sur la santé
Hippocrate et Gallien connaissaient déjà l’intoxication saturnine.
Les voies d’imprégnation sont multiples. Chez l’homme, les deux grandes voies d’assimilation du plomb sont les voies digestives et pulmonaires.
Le plomb, supporté par les particules fines en suspension, est fixé par l’organisme.
C’est un toxique neurologique, hématologique et rénal qui peut entraîner chez les enfants des troubles du développement cérébral avec perturbations psychologiques et des difficultés d’apprentissage scolaire.
Cependant, la part atmosphérique, en France, est actuellement très réduite à l’exception des sites industriels spécifiques.
La directive 82/884/CEE du 3 décembre 1982 relative à la pollution de l’air par le plomb impose une valeur moyenne annuelle de 2m g.m-3
La valeur guide et l’objectif de qualité fixés pour la France et l’Europe est de 0,5 m g.m-3
Exemple de mesures réalisées à Paris sur l’année 1998 (source AIRPARIF – Ile – de - France)
Station Avenue des Champs Elysées |
0,16 m g.m-3 |
Station Place Victor Basch (métro Alésia) |
0,21 m g.m-3 |
La figure 1 montre que la teneur en plomb dans l’ensemble des agglomérations étudiées est en dessous du seuil de qualité.
Quatre techniques d’analyse sont retenues – à priori – à partir de la bibliographie.
Ces deux dernières techniques sont reconnues officiellement et sont soumises à des normes au plan national.
CHAPITRE 2
Expérimenter, pas si simple !
1. Le protocole expérimental
Au début de notre étude, notre but était de mener " l'enquête " de façon complète c’est-à-dire de prélever un échantillon, de le traiter pour l’analyser, enfin d’exploiter les mesures et de communiquer les résultats au laboratoire régional d’analyses et au quotidien local. Tout paraissait simple ! Il suffisait de construire un protocole expérimental sérieux !
Prélever
Deux problèmes se posèrent :
Le choix du filtre
Il s’agissait de choisir un filtre dont la porosité soit adaptée à la granulométrie des particules de plomb. Typiquement, la taille des particules est comprise entre 2 et quelques millièmes de micromètres. Des essais d’étude de pénétration avec de la poudre de talc étaient envisagés sur un tampon de coton hydrophile, de la laine de verre, des épaisseurs de filtres à café et de filtres du laboratoire. A l’heure actuelle, un contact avec la firme Peugeot aurait été pris pour étudier le filtre " anti-poussière " de la nouvelle voiture 607.
La durée d’aspiration.
Nous avions décidé de prendre comme base de calcul, la valeur – guide de 0,5 m g de plomb par m3 d’air. En faisant l’hypothèse que tout le plomb resterait piégé sur le filtre et en utilisant durant 3 heures (durée optimale pour la survie de la pompe), une pompe du laboratoire qui a un débit de 30 L.min-1, nous espérions collecter 30.10-3´ 60´ 3´ 0,5 » 3 m g de plomb soit environ 1,5.10-8 mol. !
Un nouveau problème émergeait alors : cette micro - quantité de plomb était-elle décelable par les méthodes d’analyse envisagées ?
Traiter
Les particules recueillies étant de faible taille, il n’y aura pas simplement dépôt en surface mais pénétration à l’intérieur du substrat. Il sera donc nécessaire de nettoyer complètement le filtre.
Les particules de plomb sont dissoutes dans une solution concentrée d’acide nitrique. Le choix de cet acide comme solvant a été trouvé dans les protocoles industriels. Une recherche dans un énorme livre : le Handbook, confirme que le plomb est soluble dans l’acide sulfurique et l’acide nitrique, ce dernier dissolvant, en plus, d’autres composés du plomb comme les oxydes.
Pour faire passer en solution tout le plomb et laver correctement le filtre, on ne peut envisager un volume d’acide inférieur à 20 mL ce qui correspond à une concentration de 150 m g.L-1.
Analyser
Les prélèvements semblant problématiques, nous avions décidé d’étudier, en premier, les méthodes d’analyse sur des solutions de concentrations connues, de l’ordre de quelques dizaines de m g.L-1 en plomb (II). Ces quantités, inhabituelles pour nous dans le cadre des TP de classe, nous semblaient être un défi à relever.
Exploiter
Après un étalonnage des différentes méthodes sur des filtres avec des quantités connues, il n’y avait plus qu’à comparer avec un prélèvement réel en tenant compte des facteurs perturbateurs et des limites de détection.
2. L’étude qualitative chimique
La réaction de mise en évidence de Pb(II)
Une solution de nitrate de plomb réagit avec une solution d’iodure de potassium suivant l’équation – bilan :
Pb2+ + 2I- ® PbI2(s)
Pour nos premiers tests, nous utilisons les solutions déjà préparées du laboratoire. Dans un tube à essai, on verse 1 cm3 de solution de nitrate de plomb (0,1 mol.L-1). On ajoute une goutte de solution d’iodure de potassium (0,1 mol.L-1). Un beau précipité jaune d’iodure de potassium apparaît.
On refait l’expérience en ajoutant une goutte de nitrate de plomb dans 1 cm3 d’eau distillée. L’iodure de potassium fait encore apparaître un précipité jaune mais en très faible quantité.
Quelle est l’ordre de grandeur de la masse de plomb introduit dans ces conditions ?
Si l’on estime qu’une goutte a un volume de 0,05 cm3, la masse de plomb est alors :
m = C´ V´ M d’où m » 0,05.10-3´ 0,1´ 207,2 = 1.10-3 g = 1 mg soit environ 330 fois la masse limite que nous nous sommes fixée.
La limite de détection
Par dilutions successives, la coloration disparaît. Est-ce parce que notre œil ne distingue plus la coloration ou parce que le précipité ne se forme plus ?
La recherche du produit de solubilité de PbI2 nous donne :
Ks = 1,4.10-8 à 25°C.
Le test est positif si [Pb2+].[I-]2 ³ Ks.
En travaillant sur notre valeur maximum estimée (3 m
g dans 20 cm3 de solution), la concentration molaire en Pb(II) est [Pb2+]
Une solution d’iodure de potassium à 20% (soit 200 g.L-1 ou 1,2 mol.L-1)
est préparée. Quelques gouttes devraient suffirent pour provoquer une précipitation de
KI.
Mais il est nécessaire qu’il se forme suffisamment de précipité pour que l’œil puisse le détecter (au moins dix milligrammes dans les 20 cm3 de solution).
Dans ces conditions, le précipité de diiodure de potassium a une masse
m = 1,5.10-8´ (207,2+2´ 126,9) = 6,9.10-6 g » 7 m g
Le test semblera négatif. Cette analyse qualitative n’est pas valable pour notre étude.
La mise en solution du plomb est-elle cependant valable ?
Un très petit morceau de plomb (m » 0,1 g) est introduit dans un tube à essai. Trois gouttes d’acide nitrique concentré sont ajoutées. On laisse agir quelques minutes puis on place le tube au bain-marie et on ajoute délicatement un peu d’eau. Le plomb disparaît. Ce qui est de bonne augure.
Le test à l’iodure de potassium est alors réalisé. A notre grande surprise, il se forme un précipité noir ! Ce n’est plus de la déception, c’est le désespoir !
Notre cours sur l’oxydoréduction vient à notre secours et la règle du gamma nous semble tout -à- coup beaucoup plus sympathique !
L’ion nitrate réagit avec l’ion iodure pour former du diode très peu soluble dans l’eau mais soluble dans l’iodure (formation de I3-) et de couleur noire.
Trois réactions se superposent :
L’addition d’un mélange sulfochromique fait disparaître la coloration noire. Les protocoles signalaient bien cette étape mais ne comprenant pas son utilité – a priori – nous n’avions pas tenu compte de cette remarque
Conclusion
Au bout de cinq mois de travail (recherche documentaire, enquêtes, étude qualitative) nous n’avons que très peu progressé.
Nous savons
3. La spectrométrie
3.1. L’idée de départ
La lecture de la documentation concernant le dosage du plomb dans l’air, nous indique deux méthodes possibles :
Nous avons essayé de rapprocher ces mots de la notion de spectre de la lumière et des expériences faites en classe de seconde.
La spectroscopie est basée sur l’étude des interactions entre la matière et un rayonnement électromagnétique. Chaque substance (atome, molécule ..) réagit de façon spécifique à un apport d’énergie. Le spectre d’émission ou d’absorption est la signature de la substance.
3.2. le spectre de la lumière et l’absorption moléculaire
Ce que nous savons faire
Nous savons faire le spectre de la lumière blanche.
Si l’on interpose sur le chemin de la lumière une cuve transparente remplie d’une solution chlorophyllienne, on observe une disparition de la lumière rouge dans le spectre.
Les essais
La solution de nitrate de plomb étant incolore, elle n’absorbe pas dans le visible. Puisque nous ne pouvons voir directement l’interaction lumière – matière, nous avons utilisé un spectrophotomètre. Cet appareil peut émettre des rayonnements de longueurs d’onde comprises entre 300 nm (proche Ultra - Violet) et 900 nm (Infra - Rouge).
Les rayonnements UV et la lumière visible provoquent une excitation des électrons de valence tandis que les infra – rouges provoquent des déformations des liaisons.
Pour une substance donnée, les énergies susceptibles d’être absorbées doivent correspondre à des valeurs bien déterminées.
L’énergie étant liée à la longueur d’onde de la lumière (E = hc/l ), l’absorption dépend de la longueur d’onde de la lumière incidente.
La recherche d’une absorption notable pour une solution de nitrate de plomb (C = 0,1 mol.L-1) sur la gamme de longueurs d’onde de l’appareil est infructueuse, même en utilisant des cuves en quartz transparentes aux UV.
Des hypothèses non validées
Il faudrait :
La fabrication du complexe coloré n’a pas abouti. Nous n’avons pas pu obtenir de filtre pollué. Tous les filtres utilisés, en fibre de cellulose sont dissous lors de la mise en solution du plomb.
3.3. La radiographie et la spectrométrie de fluorescence X
La radio du médecin nous " déshabille ". Les rayons X sont donc nettement plus énergétiques que la lumière visible ou les UV. En effet nous avons déjà mentionné la relation entre l’énergie des photons et la longueur d’onde de l’onde associée (§ 3.2) : l’énergie est inversement proportionnelle à la longueur d’onde.
Les rayons X ont une énergie suffisante pour perturber les électrons des couches internes et, en particulier, ioniser les niveaux d’énergie L du plomb.
Exemples d’énergies mises en jeu pour l’ionisation de la couche L :
L1 l 1 = 0,0782 nm , E1 = 15,85 keV;
L2 l 2 = 0,0815 nm ; E2 = 15,21 keV
L3 l 3 = 0,0951 nm ; E3 = 13,55 keV
Le dispositif expérimental n’est pas a notre portée. Nous espérions obtenir des enregistrements pour les étudier. Mais même après de longues négociations, la société de traitement des batteries et le laboratoire d’analyses ont catégoriquement refusé de communiquer des résultats précis. Secret professionnel !
3.3. Le test de flamme et la spectroscopie atomique
Ce que nous savons faire
Le test à la flamme de certains cations est réalisé en classe de seconde.
Un papier imbibé d’une solution saline modifie la couleur de la flamme suivant l’élément chimique contenu dans la solution.
Tout espoir n’est pas perdu puisqu’une solution incolore de chlorure de sodium colore la flamme en jaune !
Les essais
Malheureusement, avec une solution de nitrate de plomb, la flamme ne subit pas de changement de couleur. Une recherche dans le Handbook nous confirme que les raies spectrales dans le visible ont une intensité si faible qu’elles sont non décelables à l’œil. Ceci explique que le protocole officiel mette en œuvre des techniques plus performantes à l’aide de plasmas.
Chapitre 3 :
Analyser pour comprendre
La problématique de nos camarades français était :
Essayons d’analyser pourquoi le projet n’a pas abouti.
Le sentiment d’échec a été d’autant plus fort qu’au départ, le travail se présentait facilement grâce à une large documentation, très généraliste certes, mais qui permettait de croiser les informations. La documentation précise sur les protocoles expérimentaux n’est obtenue qu’en septembre après bien des relances.
Mais est-ce vraiment un échec ?
Oui, parce qu’ils n’ont réalisé aucune mesure de concentration en plomb, ce qui était leur but.
Non, parce qu’ils ont, à chaque étape de leur travail, prouvé qu’ils étaient capables d’être actifs en proposant leurs propres protocoles à partir de leurs connaissances scolaires, de les analyser et de comprendre pourquoi ça ne pouvait pas marcher.
N’est-ce pas l’important même si c’est frustrant ?
BIBLIOGRAPHIE
Aspects analytiques du plomb dans l’environnement – Michel MORLOT – éditions Lavoisier TEC-DOC
La toxicité du plomb – Le courrier du CNRS N°72 – Mai 1989
Le plomb dans l’atmosphère – La Recherche N°198 – Avril 1988
Prévention et mesure de la pollution atmosphérique – Techniques Françaises – Ministère de l’Environnement - 1988
Handbook of Chemistry and Physics
ORGANISMES CONTACTES
ADEME (M. BRAY 02 38 24 00 08)
22, rue d’Alsace – Lorraine – 45000 Orléans
AIRPARIF
10, rue Crillon – 75004 Paris – 01 44 59 47 64
AMPAC (Monsieur Patrick MERCIER)
43 rue de Wailly
63000 Clermont-Ferrand
APPAVE (M. PERRUFFEL - 01 40 54 59 54)
13 rue Salneuve 75017 Paris
CODES
28, Faubourg Bourgogne – 45000 Orléans – (02 38 62 56 78)
CRAM
Rue de Xantraille – 45000 Orléans
DRIRE (M. RON - 02 38 41 76 74)
6, rue Charles de Coulomb – 45077 Orléans Cedex 2
ELF – Direction Recherche, Technologie, Environnement
Tour Elf – 92078 Paris La Défense Cedex.
Envirofacts – (environnement Canada)
http://www.ns.cc.gc.ca/french/epb/envfacts/leadtr.htmc
Ifen (Institut Français de l’Environnement)
http://www.ifen.fr/
INERIS (Institut National de l’Environnement Industriel et des Risques)
Parc technologique ALATA – BP N°2 –
60 550 VERNEUIL- en- HALATTE (03 44 55 66 77 – http:/www.ineris.fr))
Institut Universitaire de Médecine du Travail de Rennes
http://www.med.univ-rennes1.tr/etud/med_travail/plomb.htm
LCPP (Laboratoire Central de la Préfecture de Police)
Service des pollutions
39bis rue de Dantzig – 75015 Paris
01 55 76 20 00 – dLabc@mgn.fr
LHVP (Laboratoire d’Hygiène de la Ville de Paris)
11, rue Georges Eastman – 75013 Paris – 01 44 97 87 87
LIG’AIR – Surveillance de la Qualité de l’air en Région Centre
Melle ROBIN 02 38 78 09 49
135, Faubourg Bannier – 45000 Orléans
Ministère de l’Aménagement du Territoire et de l’Environnement
20, avenue de Ségur 75302 Paris 07 BP01 (01 42 19 14 02 ou – 35)
ORS (Observatoire Régional de Santé)
21, rue Miollis – 75015 Paris (01 44 42 64 70)
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