Entretien et rénovation dans l’habitat Programme Term STI2D/Term STL 23 Mai 2012 S.CALLEA Lycée Gay-Lussac

Programme de Terminale STI2D et Terminale STL Entretien et rénovation dans l’habitat Notions et contenus Capacités exigibles Réactions acide-base et transfert de protons. Solutions acides, basiques. pH Solubilisation. Solvants de nettoyage. Citer des produits d’entretien couramment utilisés dans l’habitat (détartrants, déboucheurs, savons, détergents, désinfectants, dégraissants, etc..) ; reconnaître leur nature chimique et leur précaution d’utilisation (étiquette, pictogramme). Définir les termes suivants : acide, base, couple acide-base. Ecrire une réaction acide-base, les couples acide-base étant donnés. Citer le sens de variation du pH en fonction de l’évolution de la concentration en H+(aq). Choisir un solvant pour éliminer une espèce chimique à partir de données sur sa solubilité ou à partir d’une démarche expérimentale

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Dégraissant Déboucheur Produit qui permet de déboucher une canalisation par réaction avec le bouchon Détartrant Produit qui élimine la formation de tartre Produit qui enlève les traces de graisse sur une surface.

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Désinfectant Savon - Détergent Produit qui détruit les bactéries, les virus ou tout au moins les rend inactifs Produit qui élimine les graisses, les salissures à la surface de matériaux, cheveux, corps humain

Que peuvent contenir des produits d’entretien ? Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Que peuvent contenir des produits d’entretien ? Autres : Phosphate, zéolithes Azurants optiques  Enzymes Elles dégradent les molécules organiques en plus petites. Lipases graisses Protéases  taches protéinées (sang, herbe, …)  Agents tensioactifs anionique, cationique, zwitterionique, non ionique Produits d’entretien  Oxydants Eau oxygénée H2O2 Perborate de sodium NaBO3  Acides : Acide sulfurique H2SO4 Acide éthanoïque CH3COOH  Solvants Hydrocarbure Hydrocarbures aliphatiques (alcanes) Perchloroéthylène CCl2=CCl2 Trichloroéthylène CHCl=CCl2 Dichlorméthane  Bases : Soude NaOH Hydrogénocarbonate de sodium NaHCO3 (appelé improprement bicarbonate de soude) Carbonate de disodium Na2CO3 (appelé improprement carbonate de soude ou cristaux de soude)

Acides et Bases de Brönsted Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Acides et Bases de Brönsted Acide : un acide de Brönsted est une espèce chimique susceptible de céder un ion hydrogène H+. Un monoacide pourra céder un ion hydrogène H+. Un polyacide pourra céder plusieurs ions H+. Exemples : CH3COOH CH3COO- + H+  H3PO4 PO43- + 3H+ Base : une base de Brönsted est une espèce chimique susceptible de capter un ion hydrogène H+. Une monobase pourra capter un ion hydrogène H+. Une polybase pourra capter plusieurs ions H+. Exemples :  NH3 + H+ NH4+  CO32- + 2H+ H20 + CO2

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Notions d’acides et bases conjugués : Lors de l’échange d’un ion H+ entre deux espèces, on définit la notion d’acide et de base conjugués. On parle de couple acido-basique. CH3COOH CH3COO- + H+  couple : CH3COOH/CH3COO- Acide Base particule échangée On parle pour cette équation de demi-équation protonique

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Couples acide-base de l’eau, autoprotolyse : L’eau participe à deux couples dans lesquels elle joue soit le rôle d’acide soit le rôle de base. Les couples sont : H20/HO- et H3O+/H2O H2O HO- + H+(aq) et H2O + H+(aq) H3O+ Ampholyte ou Espèce amphotère  : un ampholyte est une espèce amphotère. Il s’agit d’une espèce qui est un acide dans un couple et une base dans un autre couple. Exemples : eau  H20,CO2 /HCO3- et HCO3-/ CO32-

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Réaction acide-base en solution aqueuse : Une réaction acido-basique fait intervenir deux couples acide/base. L’acide d’un couple libère un ion H+ pour le concéder à la base de l’autre couple. Exemple : réaction entre CH3COOH et HO- qui appartiennent aux couples CH3COOH/CH3COO- et H2O/HO- CH3COOH CH3COO- + H+(aq) HO- + H+(aq) H2O CH3COOH + HO- CH3COO- + H2O Méthode pour écrire une réaction acido-basique : Identifier les deux couples Repérer l’acide et la base qui réagissent. Attention, réaction entre un acide d’un couple et une base d’un autre couple. Ecrire les 2 demi-équations protoniques  Sommer ces réactions, il s’agit d’éliminer les ions H+

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Autoprotolyse de l’eau : Dans l’eau, il existe un équilibre appelé autoprotolyse de l’eau. 2H20 H3O+ + HO- K = Ke = 10-14 Cet équilibre se caractérise à 25 °C par une constante Ke appelée produit ionique de l’eau valant Ke = [H3O+].[HO-] = 10-14 Le bilan macroscopique de autoprotolyse de l’eau implique que : Si on forme x mol d’ions H3O+, on forme x mol d’ions HO- Dans l’eau pure, il y a autant d’ions H3O+ que d’ions HO- [H3O+] = [HO-] Ke = [H3O+].[HO-] = 10-14 = [H3O+]2  [H3O+] = [HO-] = 10-7 mol.L-1  Objectif : trouver une grandeur qui permet d’évaluer et de comparer les concentrations d’ions H3O+ et HO- dans les solutions.

H3O+ est l’acide conjugué de l’eau HO- est la base conjuguée de l’eau Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Définition du pH : Le pH est une grandeur qui va donner une information sur la comparaison entre les concentrations des ions H3O+ et HO- . H3O+ est l’acide conjugué de l’eau HO- est la base conjuguée de l’eau Si [H3O+] > [HO-]  l’acide conjugué de l’eau est en proportion plus importante que la base conjuguée de l’eau  Solution dite acide Si [H3O+] < [HO-]  la base conjuguée de l’eau est en proportion plus importante que l’acide conjugué de l’eau  Solution dite basique Si [H3O+] = [HO-]  la base conjuguée de l’eau est en proportion égale à l’acide conjugué de l’eau D’après l’autoprotolyse de l’eau : [H3O+] = [HO-] = 10-7 mol.L-1  Solution dite neutre

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Définition du pH (solutions diluées) : pH = - log[H3O+] Pour les solutions neutres, [H3O+] = [HO-] = 10-7 mol.L-1 pH = 7,0 Pour les solutions dite acides [H3O+] > 10-7 mol.L-1 > [HO-] pH < 7,0 Pour les solutions dite basiques [HO-] > 10-7 mol.L-1 > [H3O+] pH > 7,0 0  pH  14

pH acide – pH basique Jus de citron pH = 2,4 – 2,6 Cola pH = 2,5 Vinaigre pH = 2,5 – 2,9 Jus de pomme pH = 3,5 Bière pH = 4,5 Café pH = 5,0 Thé pH = 5,5 Lait pH = 6,5 Sang pH = 7,3 – 7,4 Eau de mer pH = 8,0 Savon pH = 9 - 10 Chaux pH = 12,5

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Influence de la dilution sur le pH d’une solution acide ou basique : pH = - log[H3O+] Si on dilue une solution acide, la concentration de H3O+ diminue donc pH augmente. Si on dilue une solution basique, la concentration en HO- diminue, le produit ionique implique que la concentration en ions H3O+ augmente donc pH diminue. Si on dilue fortement la solution acide ou basique, le pH tend vers 7,0, solution neutre.

Indicateur naturel qui change de couleur suivant l’acidité du milieu La mesure du pH Utilisation d’indicateurs colorés naturels Indicateur naturel qui change de couleur suivant l’acidité du milieu 1767 : W.LEWIS emploie un extrait de tournesol pour quantifier l’acidité. William Lewis (1714 – 1781) : chimiste et médecin anglais. Papier de tournesol (rouge en milieu acide)

Utilisation d’indicateurs colorés naturels La mesure du pH Utilisation d’indicateurs colorés naturels Utilisation d’extraits de plantes qui changent de couleur avec l’acidité du milieu La couleur du jus du chou rouge change nettement suivant la valeur de pH (rouge au jaune). Cela est dû à un anthocyane Anthocyane du chou rouge Jus du chou rouge à différents pH

XIXème siècle : Utilisation d’indicateurs colorés synthétiques La mesure du pH XIXème siècle : Utilisation d’indicateurs colorés synthétiques L’essor de la chimie organique permet la synthèse d’indicateurs colorés dont les virages (changements de couleur) sont plus réduits  mesures plus précises Virage phénolphaléine (rose : milieu basique) Phénolphtaléine

XIXème siècle : Utilisation d’indicateurs colorés synthétiques La mesure du pH XIXème siècle : Utilisation d’indicateurs colorés synthétiques S. CALLEA

Mesure du pH au XXème siècle La mesure du pH Mesure du pH au XXème siècle Utilisation de papier pH contenant des indicateurs colorés. Le papier pH mis en contact de la solution prend une coloration qui dépend du pH.

Mesure du pH au XXème siècle La mesure du pH Mesure du pH au XXème siècle Nature des électrodes permettant la mesure du pH : Il faut deux électrodes, une de mesure (électrode de verre) dont le potentiel dépend du pH et une de référence de potentiel constant (électrode au calomel par exemple) 1948 : Ingold propose une électrode combinée (comprenant électrode de verre + électrode de référence) Une électrode de verre auquel il faut associer une électrode de référence Electrode combinée

Utilisation d’acide dans les produits d’entretien : Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Utilisation d’acide dans les produits d’entretien : Exemple des détartrants : détruire le tartre Le tartre est du carbonate de calcium ou du carbonate de magnésium Ca2+(aq) + CO32-(aq) = CaCO3(s) Mg2+(aq) + CO32-(aq) = MgCO3(s) Tartre et tuyauterie bouchée

Pour dissoudre le tartre, on additionne de l’acide Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Pour dissoudre le tartre, on additionne de l’acide CaCO3(s) Ca2+(aq) + CO32-(aq) MgCO3(s) Mg2+(aq) + CO32-(aq) H+ Déplacement d’équilibre HCO3- ou CO2 H+ Déplacement d’équilibre HCO3- ou CO2 Composition : Acide formique (HCOOH) 1 à 5 % Acide phosphorique 5 à 10 % C9- C11 pareth 8 (C9H19OC11H23) 1 à 5 %

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Utilisation de bases dans les produits d’entretien : Exemple des déboucheurs : détruire l’excès de corps gras Ce sont souvent les corps gras (triglycérides) qui sont essentiellement responsables de l’obturation des éviers. triester Stéarate de glycéryle Issu du glycérol

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Pourquoi utiliser de la soude concentrée ? Réaction de saponification des corps gras : Composition : Contient de l’hydroxyde de sodium (Soude caustique), solution 10 % à 20 %

Utilisation de solvants dans les produits d’entretien : Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Utilisation de solvants dans les produits d’entretien : Pour comprendre l’utilisation et le choix d’un solvant, il convient de connaître : les propriétés physiques et chimiques des solvants Fonction d’un solvant : dissoudre, diluer une espèce chimique sans modifier chimiquement l’espèce.

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Solvant Solvant polaire Solvant apolaire Solvant apolaire aprotique Solvant polaire protique Solvant polaire aprotique

Echelle d’électronégativité (selon Pauling) Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Echelle d’électronégativité (selon Pauling) 1 2 13 14 15 16 17 H 2,2 Li 1,0 Be 1,6 B 2,0 C 2,6 N 3,0 O 3,4 F 4,0 Na 0,9 Mg 1,3 Al Si 1,9 P S Cl 3,2 Polarisation des liaisons C-Atome Liaison polarisée avec C porteur d’une charge partielle négative Liaison non polarisée Liaison polarisée avec C porteur d’une charge partielle positive

A-B P-N Polarisation des liaisons Pas de Polarisation des liaisons Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Polarisation des liaisons Pas de Polarisation des liaisons Atome P de charges partielles positives (d+e) Atome N de charges partielles négatives (d-e) A-B Solvant apolaire d+e d-e Moment dipolaire : P-N m Si existence d’un moment dipolaire  solvant polaire

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Exemples : Solvants polaires Solvants apolaires

Solvants polaires protiques Solvants polaires aprotiques Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Solvant polaire Solvant protique : solvant capable de céder un proton H+. Solvant aprotique : solvant qui ne peut céder un proton H+. Un solvant apolaire ne pourra céder de H+ donc il est apolaire. Solvant polaire protique Solvant polaire aprotique Solvants polaires protiques Solvants polaires aprotiques H2O  HO- + H+ EtOH  EtO- + H+

Solubilité des espèces et nature des solvants : Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Solubilité des espèces et nature des solvants : «  Qui se ressemble, s’assemble » Composés polaires : Les composés polaires auront une solubilité plus importante dans les solvants polaires Interaction de Van der Waals polaire/polaire (Keesom)

Solubilisation dans solvant polaire Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Composés ioniques : Les composés ioniques sont insolubles dans les solvants apolaires. Les composés ioniques sont solubles dans l’eau. Cations Anions Interaction cation- site d+ du solvant Interaction cation- site d- du solvant Liaison H avec H du solvant Solubilisation dans solvant polaire Solubilisation dans solvant polaire et très bonne dans solvant polaire protique

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Composés apolaires : Les composés apolaires sont solubles dans les solvants apolaires et insolubles dans les solvants polaires. Soluble dans le cyclohexane Insoluble dans l’eau, l’éthanol

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Composés comportant des groupements apolaires, et des groupements polaires : Plus la chaîne carbonée augmente, plus la solubilité dans solvant polaire diminue et plus la solubilité dans solvant apolaire augmente.

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Utilisation de solvants dans les produits d’entretien : Exemple de dégraissants : l’eau écarlate Composition : Mélange de solvants aliphatiques (hydrocarbures apolaires à nbre de C (C5 à C20) Fonction « Le détacheur liquide instantané d’Eau Ecarlate Professionnel élimine en douceur taches et salissures puis s’évapore en laissant un léger parfum. Nettoie, ravive, rafraîchit et élimine en toute sécurité les taches fraîches, incrustées, grasses, collantes et enlève les traces de goudron, cambouis, résine… »

Solvants polaires aprotiques Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Composants Solvants polaires aprotiques Matières grasses : Solubles dans les solvants aliphatiques Camboui Soluble dans les solvants aliphatiques Goudron : Hydrocarbures aromatiques polycycliques

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Exemple nettoyants four : 5 à 15 % d’hydrocarbures aliphatiques (éliminer les graisses du four)

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Utilisation de tensioactifs dans les produits d’entretien : Qu’est-ce qu’un tensioactif ? Molécule possédant : Une partie polaire hydrophile (-SO3- ; -NH4+ ; -OH) Une partie apolaire hydrophobe (chaîne hydrocarbonée)  Molécule dite amphiphile Exemple : Tensioactif cationique Tensioactif anionique Tensioactif zwiterrionique Tensioactif non ionique

Interactions chimiques salissure/tissu : Interaction électrostatique Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Position du problème : Tâche d’huile Interactions chimiques salissure/tissu : Interaction électrostatique Liaison Hydrogène Tissu Dépôt de la tâche de graisse :

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Le système tend à minimiser les surfaces entre milieu  Forces interfaciales appelées tensions superficielle gFA : tension superficielle fibre – air gHA : tension superficielle huile – air gFH : tension superficielle fibre – huile Equilibre mécanique : gFA = gHAcos + gFH

Action du tensioactif dans le bain lessiviel : Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Action du tensioactif dans le bain lessiviel : Addition du tensioactif Partie polaire vers l’eau, partie apolaire vers la graisse, l’huile Décollement de la tache par rapport au tissu

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Explication : Ajout eau + Tensioactif gHeau gFeau gFH gFeau = gHeaucos + gFH Introduction du tensiactif : Diminution de gFeau et gHeau Constance de gFH Pour maintenir l’équilibre :  augmente

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat 2 cas possibles :  < 90 °C  const et poids de la goutte  goulot d’étranglement et détachement partiel de la matière grasse  > 90 °C Détachement de la matière grasse

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Utilisation des agents de blanchiment dans les produits d’entretien : Certaines taches colorées ou salissures maigres ne peuvent être enlevées du tissu par des mécanismes physiques.  Utilisation des agents de blanchiment capables de décolorer irréversiblement les systèmes colorés par une réaction chimique, le plus souvent une oxydation Agents de blanchiment : composés capables de libérer in situ des formes activées de H2O2 . Exemple : Composition : Agent de surface moins de 15 % Agent de blanchiment moins de 5 % Azurants optiques < 5 %

Produits d’entretien utilisés dans l’habitat Utilisation des azurants : « Lave plus blanc que blanc » Molécule qui absorbe dans l’UV ( < 400 nm) La lumière réémise est de couleur bleue.  Certaines fibres naturelles (ex : cellulose) absorbent le bleu et ont une couleur jaunâtre.  Avec un azurant qui renvoie une onde dans le bleu, l’impression de blanc est retrouvée.

Protection dans l’utilisation des produits d’entretien Les produits d’entretien doivent être utilisés avec précaution. Etiquettes Conduites à tenir en cas d’accident : Rincer abondamment avec l’eau Conseils d’utilisation : Eviter le contact avec les yeux, … Pictogrammes

Inflammable (combustible) Corrosif Toxique, irritant Protection dans l’utilisation des produits d’entretien Inflammable (combustible) Corrosif Toxique, irritant Dangereux pour l’environnement