Les piles alcalines, les piles boutons, les batteries ont envahi notre vie de tous les jours. Elles apportent l’énergie électrique aux jouets, aux lampes torches, aux téléphones et tablettes portables, aux véhicules automobiles… Notons bien en français la distinction « pile » chargée une fois pour toute et qui se décharge à l’utilisation et « batterie » ou accumulateur qui délivre un courant grâce à une réaction électrochimique réversible et qui peut se recharger.
90 % des piles sont des piles « alcalines ». On trouve les « piles bâtons » cylindriques qui ont une anode constituée de zinc métallique (Zn) en poudre et d’un électrolyte gélifié contenant de l’hydroxyde de potassium (KOH). La cathode est constituée d’un mélange de dioxyde de manganèse (MnO2) et de carbone graphite (C) le tout enserré dans un cylindre d’acier.
Les piles boutons comportent souvent un gel de zinc et de potasse (KOH) et de l’argent (Ag), puisque le mercure (Hg) est maintenant interdit.
Les batteries rechargeables sont diverses :
- batteries nickel-cadmium (1), Ni-Cd, pour les outils de bricolage autonomes ;
- batteries nickel-hydrures métalliques de terres rares et de nickel (2), Ni–MH, pour les ordinateurs et les téléphones ;
- et de plus en plus de batteries Li-ion (3) (ion lithium) qui comportent une anode en graphite et des cathodes avec des oxydes mixtes de cobalt de type LiCoO2 , ou nickel, ou manganèse.
Sachant que l’on utilise environ 33 000 tonnes de piles et batteries en usage par an, cela représente environ 10 000 tonnes de zinc et 8 000 tonnes de fer et nickel sans oublier le cuivre.
Il ne faut donc surtout pas les jeter dans la nature ou dans les poubelles car vous dispersez alors partout des métaux lourds comme Zn, Fe, Co, Mn, et pire, des métaux pouvant être toxiques comme Ni ou Cd ainsi que des métaux rares et coûteux comme Cu, Ag et des terres rares : néodyme (Nd), praséodyme (Pr), dysprosium (Dy) et lanthane (La).
Une attitude d’éco-citoyen responsable exige aussi une économie des ressources naturelles et c’est une raison de plus pour mettre piles et batteries dans les bacs spécialisés de recyclage que l’on rencontre dans toutes les grandes enseignes de supermarchés ou de bricolage.
| Sur 100 piles utilisées | ||
| 30 sont jetées aux ordures ou dans la nature | 35 sont stockées ou en usage chez les particuliers | 35 sont recyclées par les filières existantes |
L’objectif est de développer les procédés de recyclage par broyage, puis hydrométallurgie et pyrométallurgie pour récupérer les alliages ferreux et affiner les métaux non ferreux ou rares.
Les directives européennes de recyclage sont d’en atteindre au moins 45 % par des organismes nationaux agréés, comme Corepile ou Sorelec, qui, en France, se partagent le recyclage d’un peu plus de 12000 tonnes de piles et batteries.
Dans le cas particulier de l’industrie automobile, où la plupart des véhicules sont équipés de batteries au plomb et acide sulfurique, il y a obligation de les recycler. Plus de 95 % sont désossées, l’acide est neutralisé, le plomb refondu et le polypropylène des caissons lavé et transformé en granulés recyclables.
Avec l’augmentation des véhicules électriques et des millions de tonnes de batteries ion–lithium qui s’annoncent, des filières spécialisées vont se mettre en place pour récupérer et recycler Cu, Co, Ni, Mn et Li.
Donc quand vos piles ou batteries ne fonctionnent plus, ne les jetez plus n’importe où et pensez recyclage, les chimistes s’en occupent pour une seconde vie (4).
Jean-Claude Bernier et l'équipe Question du mois de Mediachimie
(1) Une des électrodes est en oxyde de nickel hydraté NiO(OH) et l’autre est en cadmium, Cd.
(2) Une des électrodes est composée d’un hydrure métallique à base de lanthane (terre rare) et de nickel, de type LaNi5 et l’autre de l'oxyhydroxyde de nickel, NiO(OH). L’électrolyte est de la potasse.
(3) L’Académie suédoise vient de couronner en 2019 les inventeurs des batteries ion-lithium par le prix Nobel de chimie. Pour en savoir plus voir l'éditorial Un Nobel de chimie populaire
(4) Pour en savoir plus, voir la vidéo de l'ADEME ressource Comment transformer nos déchets électroniques en or et autres métaux précieux
Dans le cadre des nouveaux programmes du lycée général et technologique, Mediachimie.org réalise l’actualisation de l’entrée lycée de l’Espace enseignant en proposant un ensemble de ressources adaptées aux nouveaux enseignements et classées selon les orientations des nouveaux programmes.
L’enseignement scientifique en classe de première est dès à présent disponible pour la chimie, ainsi que des ressources en SVT pour tous niveaux de lycée.
Les entrées des classes de seconde et première seront déployées progressivement avant fin décembre 2019, puis les entrées en classes de terminales.
Vous qui n’aurez pas la possibilité de venir à la Fondation de la Maison de la Chimie le 13 novembre 2019, vous pourrez assister en direct au « Colloque Chimie et nouvelles thérapies »
sur Mediachimie ou sur Youtube.
La captation des conférences sera par la suite disponible en ligne et leur mise à disposition sera indiquée sur la page d'accueil de Mediachimie.
Près d’un Français sur quatre s’est vu répondre par son pharmacien « désolé, pour votre médicament nous sommes en rupture de stock » ou « désolé, votre médicament n’est plus fabriqué ». Rien qu’en France sur les traitements jugés essentiels on est passé de 44 signalements de pénuries en 2008 à 871 en 2018, près de vingt fois plus ! Quelles sont les raisons de cette évolution qui menace la santé publique (1) ?
Elles sont multiples. La première raison est la décomposition et la délocalisation de la chaine de fabrication des médicaments (2). Une part croissante de la production des principes actifs est délocalisée dans les pays où la main d’œuvre est moins coûteuse et les normes environnementales moins contraignantes, comme la Chine et l’Inde. Cette part est passée de 20% à 80% entre les années 90 et 2018. La deuxième étape, le mélange avec les excipients, est souvent faite en Amérique du Nord et enfin la présentation en gélules et l’emballage en Europe (3). Comme tout ce processus se fait en flux tendu par mesure d’économie, le moindre incident sur une chaine peut bloquer une usine sur plusieurs semaines . Par ailleurs, les agences du médicament nationales ou européennes, soucieuses de la protection des consommateurs, durcissent les normes de fabrication et de traçabilité des composants chimiques, ce qui amène parfois à ne plus importer tel générique de ces pays asiatiques dont la fabrication a été jugée trop opaque.
Bien que la pénurie frappe la France mais aussi la Belgique, le Royaume Uni, l’Italie, des experts pointent du doigt l’attitude de certains grossistes européens revendeurs de médicaments. Ils les accusent de faire passer en dernier la France où les prix des médicaments sont les plus bas, imposés par convention avec la sécurité sociale, et dont les remboursements sont sous surveillance à cause d’un budget qui souvent explose ! Par exemple les prix en France sont inférieurs de 20% à ceux pratiqués en Allemagne N’oublions pas non plus que les entreprises pharmacochimiques ne sont pas des bienfaitrices ; la concurrence internationale et la financiarisation de la profession exigent des investissements que les actionnaires souhaitent rémunérer. C’est ainsi qu’elles abandonnent progressivement la production de génériques trop bon marché et non rentables au profit de molécules nouvelles, susceptibles d’apporter des bénéfices, et de médicaments innovants parfois vendus à des prix exorbitants.
Alors, quels remèdes ? La relocalisation en Europe : c’est ce que font en France les 86 PME (petites et moyennes entreprises, entre 50 et 250 salariés) et ETI (établissements de taille intermédiaire, entre 250 et 5000 salariés) de la chimie, producteurs sous-traitants de principes actifs (4) en insistant sur l’aspect qualitatif et transparent des fabrications malgré un coût salarial et une exigence environnementale plus élevés. Ces entreprises bénéficient d’un très bon positionnement des compétences et d’un chiffre d’affaires en progression qui devrait encore s’améliorer en développant les médicaments issus des biotechnologies, médicaments qui manquent encore trop à leur catalogue (5).
Il n’y a pas que la santé qui souffre de causes de pénurie par manque de chimie. La guerre quasi idéologique que se livrent le Japon et la Corée du Sud pourrait avoir des répercussions en Europe. Le Japon a jeté l’embargo pour la Corée sur les résines photosensibles, les films minces de polyamide et… l’acide fluorhydrique. Ces composés représentent entre 60 et 80% des importations de deux géants de l’électronique Samsung et LG. Cela handicape fortement le gravage des micro-circuits (6) intégrés (résines de photogravure), le nettoyage des circuits silicium (HF) et la fabrication des Oled pour téléviseurs plans et smartphones (polyimides).C’est l’électronique grand public mondiale qui risque de tousser si d’autres approvisionnements ne sont pas trouvés. Or ni l’Europe ni la France ne sont capables à court terme d’y remédier. La chimie de base (fluor) et la chimie de spécialité (résines et polyimides) (7) n’y sont pas développées, en raison d’un marché intérieur insuffisant et des normes réglementaires.
Cela impacte également la transition écologique, actuellement très médiatisée, dont les objectifs sont menacés faute de chimie des matériaux. On oublie que l’objectif zéro carbone en 2030 ou 2050 sera très gourmand en matériaux de haute technologie. Pour les milliards de cellules photovoltaïque (8), on n’est pas inquiet pour le silicium abondant, mais plutôt pour le cuivre, le tungstène et l’argent. Les millions d’éoliennes et de véhicules électriques vont consommer des millions de tonnes d’aimants riches en néodyme et dysprosium (l’éolienne de General Electric de 12 MW annoncée pour 2021 comporte une tonne d’aimant au néodyme - aimant NdFeB). Les véhicules électriques seront aussi bourrés d’aimants et les batteries exigeront des millions de tonnes de Cu, Co, Ni et Li. L’Agence internationale de l’énergie estime qu’il faudra multiplier par 10 la production, la transformation et le recyclage de ces matières premières, avec toujours l’épée de Damoclès d’un éventuel quota chinois.
Militons pour l’implantation en France de la « Megafactory » l’Airbus des batteries et du complexe des aimants à base de terres rares, nous avons chez nous les meilleurs spécialistes mondiaux en électrochimie et magnétisme et le leader mondial de la séparation des terres rares. Re-industrialisons l’hexagone,, implantons de nouvelles usines chimiques propres, nous créerons de la valeur ajoutée nationale et de l’emploi et nous sauverons peut-être la planète.
Jean-Claude Bernier et Catherine Vialle
Octobre 2019
Pour en savoir plus sur Mediachimie.org :
(1) La chimie dans la vie quotidienne : au service de la santé (Chimie et… junior)
(2) Les chimistes dans l’industrie pharmaceutique
(3) De la conception du médicament à son développement : l’indispensable chimie
(4) La fabrication d’un principe actif (vidéo)
(5) Bioraffinerie et biologie de synthèse
(6) La chimie au cœur des (nano)transistors
(7) Les chimistes dans l’aventure des nouveaux matériaux
(8) Les panneaux solaires (animation)
L’Académie suédoise vient de couronner les inventeurs des batteries ion-lithium (1). Voilà un prix Nobel de chimie qui va parler à tout le monde. Les utilisateurs de téléphones portables, de tablettes et d’ordinateurs, les conducteurs de véhicules hybrides et d’automobiles électriques se servent tous les jours de ces réservoirs de puissance électrique (2).
Ce sont trois chimistes qui ont permis il y a maintenant plus de trente ans la découverte, puis l’amélioration et enfin la commercialisation de ces batteries.
Stanley Whittingham, chercheur britannique, dirige l’institut des matériaux de l’université de Binghamton de l’État de New York. Il fut le premier à créer une cathode en sulfure de titane TiS2 dans une pile utilisant un sel de lithium, dans les années 1970.
John Goodenough, américain, est professeur de science des matériaux à l’université d’Austin au Texas. Il suggéra dans les années 1980 l’utilisation, à la cathode, d’oxydes mixtes de type LiCoO2 et ses dérivés Li(CONi)O2, Li(CoNiMn)O2. Il inventa également une nouvelle cathode Li FePO4.
Akira Yoshino, japonais, est professeur à l’université Meijo et membre de l’Asahi Kasei Corporation. Il est à l’origine de la commercialisation dans les années 1990 de ces batteries avec maintenant la forme cylindrique (D=1,8 H = 6,5cm) norme 18650, fabriquée à des milliards d’exemplaires.
Dans ces batteries, à la cathode, le lithium perd un électron qui passe dans le circuit extérieur et l’ion lithium Li+, issu de la cathode, rejoint l’anode en graphite à travers l’électrolyte. Avec la généralisation des objets portables et connectés, smartphones, tablettes, ordinateurs, outils, véhicules électriques, ce sont plus de 100 000 tonnes de lithium qui sont actuellement en usage dans les batteries ion-lithium. Les « mégafactories » construites ou en projet font craindre des cours élevés du carbonate de lithium et des métaux comme le cobalt ou le nickel (3). C’est dire l’incroyable succès de cette invention qui a mis vingt ans à se mettre au point avant commercialisation et moins de trente ans à devenir indispensable à notre quotidien.
Tous les chimistes du solide, les électrochimistes et spécialistes des matériaux se réjouissent de ce prix Nobel cher à leur discipline, spécialement en France où John Goodenough venait souvent discuter et faire des séminaires. Sa dernière venue en France, à 95 ans, lors de la journée hommage à Bordeaux le 26 mars 2018 à son grand ami le professeur Paul Hagenmuller, nous a permis de le rencontrer et de réécouter son rire légendaire et communicatif. Notons également que la communauté Française à Amiens, Bordeaux et Nantes est très active sur ce sujet et reconnue internationalement, sans oublier Michel Armand qui fut aussi l’un des novateurs sur ce sujet dans les années 1975.
Jean-Claude Bernier
Pour en savoir plus sur Mediachimie :
(1) Meilleurs matériaux pour batteries à ions Li. L’approche déductive et intuitive du chimiste (conférence vidéo)
(2) Le transport ou le stockage de l’énergie électrique (Chimie… et junior)
(3) Et si le cobalt manquait… quel serait l’avenir des véhicules électriques ?
Retrouvez dans un Zoom sur... la vinification les processus, associés aux différentes étapes d’obtention d’un vin : fermentation, nature, inoculation et croissance des levures, importance du facteur température, rôle de l’aération, causes des arrêts de fermentation. Des données économiques chiffrées complètent de document.
Une fiche Réaction en un clin d'oeil : De la vigne au verre : tout un art ? vous donnera un éclairage historique sur la vinification.
L’abus d’alcool est dangereux pour la santé, à consommer avec modération.
La Maison du Soleil de Saint-Véran participe comme chaque année à la Fête de la science, les 11 et 12 octobre 2019.
Cette année, le thème choisi est celui des énergies renouvelables.
Le samedi 12 octobre à partir de 14 heures, l'entreprise Pragma Industries viendra spécialement de Biarritz présenter son vélo à hydrogène, le premier vélo à assistance électrique intégrant une pile à combustible et un stockage d'hydrogène.
Rendez-vous à la Maison du Soleil au pied des pistes de Saint-Véran.
Renseignements sur www.saintveran-maisondusoleil.com
Il y a pas mal de curiosités en chimie, les oxydes d’azote (1) en montrent une belle collection. Le monoxyde NO a une activité biologique importante et bénéfique pour notre corps, notamment dans la neurotransmission. Le dioxyde d’azote NO2 est beaucoup moins sympathique, il est caractérisé par des vapeurs rousses, irritantes et toxiques. Il se forme à haute température au-dessus de 1000°C par réaction entre l’azote et l’oxygène de l’air dans les brûleurs des centrales thermiques ou dans les moteurs à combustion interne (2). Le protoxyde d’azote N2O serait plus amusant car il est connu sous le nom de gaz hilarant. La description de la molécule N2O oscille entre 2 formes : N≡N+-O- et -N=N+=O.
Découvert par Joseph Priestley en 1772, les propriétés euphorisantes du protoxyde d’azote sont trouvées par Humphry Davy 25 ans après (3), mais c’est un dentiste Horace Wells qui découvre en 1844 qu’il peut être utilisé comme anesthésiant. Après quelques échecs en milieu médical, il fallut les études de William T. G. Morton en anesthésie pour que le protoxyde d’azote après le chloroforme soit utilisé en chirurgie après 1846. S’ensuivirent des progrès importants en médecine chirurgicale, la douleur et l’infection étant alors les deux grandes limites de la chirurgie.
C’est en réalité après 1960 puis 1980 que son usage médical s’est répandu et fut réglementé en associant le protoxyde d’azote à l’oxygène, ce qui élimine le risque d’asphyxie. La médecine utilise donc le MEOPA (mélange équimolaire d’oxygène et de protoxyde d’azote) depuis l’Autorisation de Mise sur le Marché (AMM) en 2001 dans les établissements hospitaliers. L’AFSSAPS (devenue depuis l’ANSM) contrôle et régularise depuis 2010 son utilisation dans les établissements de santé dans le cadre du plan national de la gestion des risques. Pourquoi ? Car comme le disait une publication dans la revue Science « N2O pas de quoi rire ! » (Nitrous oxide: no laughing matter). En effet même si dès le XIXe siècle le protoxyde était utilisé dans les foires pour mettre en joie quelques joyeux lurons, ses propriétés ne sont pas très bénéfiques.
D’abord dans l’atmosphère le protoxyde d’azote est un gaz à effet de serre plus de 250 fois plus absorbant que la même masse de CO2 (4), sa concentration a atteint 330 ppb (parties par milliard) en 2018. Plusieurs articles scientifiques le mettent aussi en cause comme agent destructeur de la couche d’ozone (5) en haute atmosphère. Les principales sources sont l’agriculture avec l’utilisation des engrais azotés et la décomposition du lisier ainsi que l’industrie et les transports, les rejets de ces derniers diminuant, surtout depuis que la dépollution des échappements automobile a fait des progrès (6).
Un nouveau danger qui guette les jeunes adolescents est une nouvelle forme de toxicomanie : le protoxyde d’azote est utilisé sous forme de drogue (7), inhalé pur dans un ballon de baudruche. Il procure un effet euphorisant qui dure environ 5 minutes sans laisser de traces. Cependant une utilisation répétée ou chronique provoque des troubles cardiaques ou neurologiques et des asphyxies ont été signalées. Très peu coûteux, il remplit les cartouches des siphons à chantilly qui sont en vente dans les supermarchés ou sur internet. L’inhalation directe à partir de ces cartouches sous pression peut également provoquer des brûlures et embolies pulmonaires. Un regain de cette mode est constaté depuis 2016/2018 chez les groupes d’étudiants ou d’adolescents. Certains élus, notamment des Hauts de France, souhaitent interdire la vente libre de ces cartouches ménagères.
Pour ma part je souhaiterais que le protoxyde d’azote ne soit pas accessible au grand public mais il pourrait être utilisé à la place du 2-chlorobenzylidène malonitrile (gaz CS) des grenades lacrymogène (8) des forces de l’ordre. Lors des manifestations on assisterait alors à une réconciliation euphorique entre CRS et manifestants au cours d’affrontements sans violences.
Jean-Claude Bernier
Septembre 2019
Pour en savoir plus
(1) Oxydes d'azote, Les produits du jour de la Société chimique de France
(2) La chimie atmosphérique : contexte, récents développements et applications
(3) La découverte des propriétés du gaz hilarant par Humphry Davy (1778 – 1829)
(4) Nom de code : CO2
(5) Chimie, atmosphère, santé et climat, une histoire partagée
(6) La catalyse au service de l'automobile
(7) Outils et techniques de profilage des drogues
(8) Il y a cent ans : la guerre chimique
C’est la période des grandes migrations. Paris et les grandes métropoles vont se vider et l’A7 et l’A10 vont nous montrer leurs périodiques bouchons. Vous allez profiter de la mer, de la montagne, de l’air non pollué et… du soleil. Comme il risque cette année de se montrer très généreux, faites attention à votre exposition et prenez un certain nombre de précautions. La chimie est là pour vous protéger.
Les rayons du soleil nous envoient une lumière avec un spectre de longueurs d’ondes très large allant de l’infrarouge aux ultraviolets (1). Ce sont ces derniers qui sont les plus dangereux pour la peau. Les UVC (100 à 280 nm) sont arrêtés dans la stratosphère par l’ozone (2) qui joue un rôle de barrière. Les UVB (280 à 315 nm) sont arrêtés par la peau au niveau de l’épiderme. Ils peuvent causer des coups de soleil et favorisent l’apparition de cancers de la peau, mais ils contribuent à la synthèse de la vitamine D. Les UVA (315 à 400 nm), les plus « durs », pénètrent jusqu’au derme et vont accélérer le vieillissement cutané. Ils peuvent provoquer des stress oxydants aigus (3) et entrainer mélanomes et cancers de la peau. 95% des UV qui traversent la couche d’ozone sont des UVA, le reste des UVB.
Pour vous protéger de ces UV on recommande d’appliquer généreusement les crèmes solaires (4) qui comportent des filtres solaires organiques ou minéraux. Plusieurs molécules telles les butyl méthoxydibenzoylméthane ou les bis-ethylhexyloxyphenol methoxyphenyl triazine absorbent en se transformant les UV. D’autres oxydes minéraux comme l’oxyde de titane (TiO2) (5) ou l’oxyde de zinc (ZnO) arrêtent et réfléchissent ces UV en laissant parfois des traces blanches sur la peau qui identifient leur protection.
N’hésitez donc pas à utiliser les crèmes solaires avant de vous exposer au soleil, que ce soit pour une séance farniente, du sport ou une balade. Consultez les indications figurant sur le tube ou le flacon. L’IP ou indice de protection, parfois noté SPF (Sun Protection Factor), va de 6 ou 10 pour une faible protection à 30 ou 50 pour une forte protection ou même 50+. Pour l’indice 10 cela signifie que c’est 1/10 du rayonnement UVB qui est transmis, pour l’indice 50 c’est 1/50 soit 2% des UVB qui atteignent la peau. Pour les UVA on admet que la protection est le tiers de celle des UVB.
Le problème est que la plupart des vacanciers au soleil ne connaissent pas leur taux d’exposition aux UV et donc le moment où il faut se protéger ou renouveler la protection.
C’est encore grâce à la chimie des encres polymères qui permettent de fabriquer des circuits électroniques imprimées (6) que le problème est maintenant en partie résolu. Après le patch « My UV » en 2016 qui, appliqué sur la peau, changeait de couleur en fonction de l’exposition et, après photo via une application sur smartphone (7), donnait le taux d’UV, L’Oréal a lancé l’an passé « UV Sense » un capteur d’UV connecté et sans batterie commercialisé cette année par La Roche-Posay. Ce dispositif de moins de 2 mm d’épaisseur et de 9 mm de diamètre se colle sur l’ongle du pouce. Il comporte un condensateur, des LED, un capteur et un circuit électronique imprimé (PCB – printed circuit board) flexible. Sensible aux UV il peut donner en temps réel l’évolution d’exposition et la garder en mémoire jusqu’à trois mois. Il suffit à l’utilisateur d’indiquer dans l’application disponible sur iOS et Android son phototype (blond aux yeux bleus et carnation claire ou noir aux yeux marron et peau mate) (8) pour recevoir et lire les recommandations personnalisées. Le design de la petite pastille a été particulièrement bien étudié et plait esthétiquement. Selon une étude auprès des consommateurs, plus de 35% d’entre eux appliquent plus souvent la crème solaire ou restent davantage à l’ombre. Si cette innovation permet de bloquer l’augmentation des cas de mélanomes, voilà une bonne contribution au bien-être estival.
Jean-Claude Bernier et Catherine Vialle
Août 2019
Pour en savoir plus
(1) Spectre et composition chimique du soleil (vidéo)
(2) Chimie atmosphérique et climat
(3) L’homéostasie redox de la peau et sa modulation par l’environnement
(4) Un exemple de composé chimique bénéfique à la santé de la peau : la crème solaire
(5) Les enjeux de la vectorisation et de la pénétration transcutanée pour les actifs cosmétiques
(6) La chimie des écrans souples (Chimie et… junior)
(7) Exploser un smartphone (Chimie et… junior)
(8) Les enjeux de la cosmétologie