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Pondichéry • Avril 2016
Exercice 3 • 5 points
ph © Citron/CC-BY-SA-3.0Un aquarium et tout ce qu'il contient forment un système complexe à l'équilibre fragile. De nombreux facteurs peuvent provoquer un déséquilibre dangereux pour la vie et la santé des poissons. En particulier, le pH de l'eau est une grandeur à mesurer régulièrement et à réguler si nécessaire. Il ne doit pas varier de plus de 0,5 unité de pH.
Un aquariophile débutant n'arrive pas à réguler le pH de son aquarium qui contient des plantes et des poissons (scalaires, néons cardinal et guppys). Le matin, le pH de l'eau est d'environ 6,7 et le soir de 7,5.
Paramètres optimaux de vie pour différents poissons :
| Poisson | pH | Température (° C) |
| Néon cardinal | 5,0 à 7,0 | 25 à 30 |
| Scalaire | 4,5 à 7,0 | 27 à 30 |
| Guppy | 6,0 à 8,0 | 18 à 30 |
Cet exercice a pour but d'aider l'aquariophile à réguler le fonctionnement de son aquarium.
Sur les forums d'aquariophilie on peut trouver quatre techniques d'ajustement du pH.
Technique no 1 : Ajouter un peu d'acide sulfurique, commercialisé, par exemple, sous la dénomination « pH minus ». Il s'agit d'un acide fort, la variation du pH sera rapide et peut-être plus importante que souhaitée.
Technique no 2 : Injecter du dioxyde de carbone dans l'eau.
Pour injecter du dioxyde de carbone dans un aquarium, le plus simple est d'utiliser un kit comprenant un bulleur, un détendeur et une bouteille pressurisée.
Ce système peut être couplé à une électrovanne programmable permettant de choisir les horaires des périodes d'injection du dioxyde de carbone.
Le système peut encore être optimisé en combinant un pH-mètre à l'installation, permettant une gestion automatisée de la régulation du pH.
Technique no 3 : Ajouter une solution contenant des ions hydroxyde de formule HO–. L'ajout doit être modéré car si l'eau devient trop basique, les ions ammonium présents dans l'eau pourraient se transformer en ammoniac, un gaz dissous particulièrement toxique pour les poissons.
Technique no 4 : Ajouter de la craie dans l'eau de l'aquarium.
Données
Les craies traditionnelles sont composées presque exclusivement de carbonate de calcium, un solide ionique constitué d'ions calcium Ca2+ et carbonate 
.
Masse molaire du carbonate de calcium : M(CaCO3) = 100 g · mol–1.
Masse d'un bâton de craie : environ 10 g.
Consommation et production de dioxyde de carbone et de dioxygène par les plantes aquatiques et les poissons
De jour comme de nuit, les poissons respirent ils absorbent donc du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone.
En ce qui concerne les plantes, deux phénomènes sont à prendre en compte :
de jour comme de nuit, elles respirent
de jour, lorsqu'elles reçoivent de la lumière, les plantes réalisent la photosynthèse : elles captent du dioxyde de carbone et produisent du glucose. La photosynthèse est modélisée par la réaction d'équation suivante :
Globalement, lorsqu'elle reçoit suffisamment de lumière, une plante absorbe plus de dioxyde de carbone par la photosynthèse qu'elle n'en rejette par la respiration.
1 Une solution « pH minus » vendue pour faire baisser le pH dans un aquarium contient des ions H3O+ à la concentration de 3,0 mol · L–1. Pour mettre en œuvre une des techniques, un aquariophile conseille sur un forum de prélever de l'eau de l'aquarium dans un récipient propre afin de diluer 50 fois la solution de pH « minus » avant de l'introduire dans l'aquarium. Déterminer la valeur du pH de la solution versée dans l'aquarium. (0,5 point)
2 Une des techniques propose d'injecter du dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone se dissout dans l'eau et y forme l'acide carbonique H2CO3 selon la réaction d'équation suivante :
1. À l'aide des couples acide/base mis en jeu, écrire l'équation de la réaction intervenant entre l'acide carbonique et l'eau. (0,5 point)
2. Quel est l'effet de cette injection de dioxyde de carbone sur la valeur du pH de l'eau de l'aquarium ? Cette injection est-elle à conseiller à l'aquariophile débutant ? (0,5 point)
3. Tracer, sur un axe gradué, les domaines de prédominance des espèces acido-basiques H2CO3, 
et 
. Déterminer l'espèce prédominante le matin et le soir dans l'eau de l'aquarium étudié. (0,75 point)
3 On considère un aquarium de volume 100 L dont l'eau a une valeur de pH égale à 3,0. On se propose d'étudier l'effet de l'ajout de craie dans l'eau comme proposé dans l'une des techniques.
1. L'ajout d'un quart de bâton de craie permettra-t-il d'obtenir une solution neutre ? (1 point)
Pour répondre à cette question, on modélisera la transformation par la réaction intervenant entre les ions carbonate 
présents dans la craie et les ions oxonium H3O+ de l'aquarium formant de l'acide carbonique et de l'eau. On considérera cette réaction comme totale.
2. Déterminer l'espèce prédominante après traitement. La modélisation choisie est-elle pertinente ? (0,5 point)
4 Compléter le tableau donné en annexe en indiquant les numéros des techniques proposées sur Internet permettant de faire diminuer ou augmenter le pH. (0,5 point)
5 Synthèse. (0,75 point)
En s'appuyant, entre autres, sur les équilibres acides/bases mis en jeu, rédiger un paragraphe expliquant :
la variation de pH de 6,7 à 7,5 observée en journée
laquelle des quatre techniques convient pour réguler le pH dans l'aquarium considéré.
Annexe
| Techniques permettant de diminuer le pH de l'eau | |
| Techniques permettant d'augmenter le pH de l'eau |
Les clés du sujet
Notions et compétences en jeu
Réaction chimique avec transfert de proton.
Conseils du correcteur
1 « Diluer 50 fois » signifie que la concentration a été divisée par 50.
2 Se souvenir que CO2 en présence d'eau se comporte en acide.
3 1. Pour obtenir la neutralisation de l'aquarium, il faut ajouter une base puisqu'il est acide. C'est le rôle des ions carbonate. Déterminez les quantités des ions CO32– et H3O+ dans l'aquarium puis faites le tableau d'avancement de la réaction chimique.
Calculez alors la quantité d'ion H3O+ après la réaction et déduisez-en le pH de l'aquarium.
5 Le pH de l'aquarium a tendance à augmenter donc vous devez trouver une méthode pour le diminuer. Utilisez la réponse à la question 2.
Corrigé
1 Déterminer le pH d'une solution
On peut déduire le pH d'une solution aqueuse par la concentration en ion oxonium à partir de la relation :
pH = – log[H3O+].
Notez bien
Pour les pH, la précision se limite quasiment toujours au dixième d'unité (un seul chiffre après la virgule). On ne marque quasiment jamais le centième d'unité pH.
Or la solution initiale a une concentration en ion oxonium H3O+ égale à C = 3,0 mol · L–1. On a dilué 50 fois la solution, on a donc divisé la concentration initiale par 50. La concentration de la solution fille est alors :
[H3O+] = 
× 10–2 mol · L–1.
D'où pH = – log[H3O+] = – log(6,0 × 10–2) = 1,2.
2 1. Écrire une équation de réaction
L'acide carbonique H2CO3 est l'acide du couple H2CO3/
donc sa réaction avec l'eau est modélisée par l'équation :
2. Déduire les conséquences de l'ajout d'un réactif
L'ajout de dioxyde de carbone forme du gaz carbonique qui est un acide donc réagit avec l'eau selon la réaction précédente, ce qui libère des ions H3O+ dans l'aquarium. Or la concentration de ces ions est directement liée au pH : plus il y en a, plus le pH est faible. Donc, l'ajout de CO2 dans l'aquarium diminue le pH de ce dernier.
Pour l'aquariophile débutant, l'injection de dioxyde de carbone est peut-être délicate à régler cependant s'il utilise un système automatisé avec mesure du pH et régulation automatique, nous pouvons le conseiller.
3. Prédire l'espèce prédominante en solution
Voici le diagramme de prédominance des deux couples de l'hydrogénocarbonate 
D'après ce diagramme de prédominance, l'espèce prédominante, le matin comme le soir, dans l'aquarium est l'ion hydrogénocarbonate 
puisque le pH de l'aquarium est entre les deux pKa.
3 1. Produire un raisonnement aboutissant au pH d'une solution
Le bâton de craie est composé de carbonate de calcium et l'ion carbonate est la base conjuguée du couple 
/C
. Une fois que le carbonate de calcium est dissous dans l'eau de l'aquarium, les ions réagissent avec les ions H3O+ et augmentent ainsi la valeur du pH.
Gagnez des points !
Pour une réaction de dissolution, vous pouvez ajouter « eau » au-dessus de la flèche de l'équation.
Il faut tout d'abord connaître la quantité de carbonate formée par la dissolution de la craie :
CaCO3 
+ 
En considérant cette réaction comme étant totale on aura après dissolution d'un quart de bâton de craie :
Ces ions vont ensuite réagir selon la réaction d'équation :
C
H2CO3(aq) + 
La quantité initiale d'ion H3O+ est donnée par :
Remarque
Le tableau d'avancement n'est pas obligatoire. Vous pouvez déterminer la quantité restante d'ions H3O+ sans le faire.
On peut alors prévoir l'évolution de la réaction chimique avec le tableau d'avancement ci-dessous.
Ici le réactif limitant est l'ion carbonate et il reste 5,0 × 10–2 mol d'ion oxonium H3O+. On peut ainsi déduire le pH de l'aquarium :
pH = – log [H3O+]
= – log
= – log
pH = 3,3.
Nous pouvons alors conclure qu'ajouter un quart de bâton de craie n'est pas suffisant pour neutraliser l'aquarium (il fait passer le pH de 3 à 3,3).
2. Déterminer l'espèce chimique prédominante
Après traitement, le pH est de 3,3 donc l'espèce prédominante est l'acide carbonique H2CO3 comme nous pouvons le constater sur le diagramme de prédominance donné en 2 3. La modélisation de la transformation chimique est donc cohérente puisque nous avons considéré la réaction chimique qui forme l'acide carbonique. Par contre, un pH égal à 3 pour un aquarium est très faible (aucun poisson cité dans les documents n'y survit) donc la valeur du pH ne semble pas appropriée.
4 Déduire la conséquence d'un protocole expérimental
| Techniques permettant de diminuer le pH de l'eau | 1 et 2 |
| Techniques permettant d'augmenter le pH de l'eau | 3 et 4 |
5 Faire une synthèse du problème proposé
Pour comprendre l'élévation du pH en journée, il faut considérer les deux sources de modification de ce pH : les poissons et les plantes.
Les poissons absorbent du O2 et rejettent du CO2 qui forme de l'acide carbonique H2CO3 et font ainsi diminuer le pH (vu à la question 2). Cependant les plantes absorbent davantage de CO2 qu'elles n'en produisent donc si le pH de l'aquarium augmente pendant la journée, c'est que la photosynthèse due aux plantes est suffisante pour aussi absorber le CO2 produit par les poissons. En somme, pendant la journée, la consommation de CO2 par les plantes est supérieure à sa production, ce qui entraîne une augmentation de pH (puisqu'on a consommation d'une espèce acide).
Le pH de l'aquarium considéré a tendance à augmenter trop vite, il faut donc le diminuer régulièrement pour éviter une basification de l'aquarium qui pourrait engendrer la formation d'ammoniaque qui est un poison pour les poissons.
Des deux premières techniques, la plus adaptée semble être la seconde, l'injection de dioxyde de carbone, puisque la première peut engendrer des variations trop brusques du pH.