Eau potable ou non ?

Merci !

Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : L'eau
Type : Exercice | Année : 2014 | Académie : Pondichéry
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Eau potable ou non ?
 
 

L’eau

pchT_1404_12_03C

Spécialité

45

CORRIGE

 

Pondichéry • Avril 2014

Exercice 3 • 5 points

Le paranitrophénol (PNP) est un polluant organique qui se forme lors de la biodégradation de certains pesticides. Une exposition excessive à ce composé peut provoquer une méthémoglobinémie : c’est-à-dire une diminution de la capacité du sang à transporter le dioxygène dans les cellules. C’est la raison pour laquelle il faut surveiller sa présence dans les eaux de boisson.

La valeur maximale de la concentration en PNP d’une eau potable autorisée par la Commission européenne est 0,1 μg·L–1. En revanche, le seuil fixé par l’Agence américaine de protection environnementale EPA (United States Environmental Protection Agency) est 60 μg·L–1, tandis que la valeur tolérée par le Conseil environnemental brésilien est 100 μg·L–1.

À l’occasion d’un stage dans un laboratoire d’analyse chimique aux USA, un groupe d’étudiants français met au point un protocole de dosage spectrophotométrique du PNP et le met en œuvre (document 1) pour étudier la potabilité d’une eau E destinée à la consommation sur le continent américain.

Résolution de problème

L’objectif de cet exercice est de répondre de manière argumentée à la question que se posent les étudiants ingénieurs : l’eau analysée est-elle potable ? (4 points)

Pour construire et développer votre argumentation, vous mobiliserez vos connaissances et vous vous aiderez des deux documents fournis et des données, et vous répondrez au préalable aux deux questions suivantes.

1 Dans les conditions expérimentales mises en œuvre par les étudiants, sous quelle forme se trouve le PNP dans les solutions ? (0,5 point)

2 Pourquoi est-il justifié de choisir une radiation visible plutôt qu’une radiation ultraviolette pour les mesures d’absorbance ? (0,5 point)

La qualité de la rédaction, la structuration de l’argumentation, l’analyse critique des conditions expérimentales, la rigueur des calculs, ainsi que toute initiative prise pour mener à bien la résolution du problème seront valorisées.

Données : caractéristiques physiques et chimiques du paranitrophénol

  • Formule brute : C6H5NO3

Formule topologique :

  • Aspect physique à 20 °C : solide cristallin jaune pâle
  • Température d’ébullition : 279 °C
  • Température de fusion : 116 °C
  • Le groupe hydroxyle -OH du paranitrophénol présente un caractère acide : .
Document 1

Extrait du carnet de laboratoire rédigé par les étudiants

On procède tout d’abord à une évaporation de l’eau E de manière à accroître fortement la concentration en PNP. La solution S ainsi obtenue est cent fois plus concentrée que la solution E.

À partir d’une solution aqueuse S0 de paranitrophénol de concentration C0= 100 mg·L–1, on prépare cinq solutions filles Si de volume V= 100,0 mL en prélevant un volume Vi de solution S0 complété à 100,0 mL par une solution tampon de pH = 10,4.

On règle le spectrophotomètre sur la longueur d’onde λ = 400 nm. On « effectue le blanc » de telle manière que l’absorbance soit nulle avec la solution tampon de pH = 10,4.

On mesure l’absorbance des différentes solutions Si préparées.

Les résultats des mesures sont regroupés dans le tableau suivant.

 

Solution

S1

S2

S3

S4

S5

Vi (mL)

1,0

2,0

3,0

5,0

7,5

A

0,128

0,255

0,386

0,637

0,955

 

On mélange 50,0 mL de la solution S avec 50,0 mL de solution tampon de pH = 10,4 puis on mesure l’absorbance de la solution S′ ainsi obtenue. On obtient une absorbance A′ = 0,570 ± 0,010.

Document 2

Spectres d’absorption de solutions aqueuses de PNP en milieu acide et en milieu basique


 

Spectre 1 : solution aqueuse de paranitrophénol de concentration molaire 2,0 × 10–5 mol·L–1 en milieu acide (pH = 5).

Spectre 2 : solution aqueuse de paranitrophénol de concentration molaire 2,0 × 10–5 mol·L–1 en milieu basique (pH = 10).

Notions et compétences en jeu

Résoudre un problème • Exploiter un dosage spectrophotométrique.

Conseils du correcteur

  • Cet exercice est un problème. Vous n’êtes que très peu guidé. Répondez consciencieusement aux questions préparatoires, qui rapportent des points et permettent d’asseoir votre raisonnement.
  • Le point de départ est de bien comprendre quelle est la problématique soulevée. Ici, pour déterminer si l’eau est potable ou non, il faut savoir si sa concentration en PNP est acceptable.
  • Vous devrez vous appuyer sur les données fournies dans l’énoncé, et notamment un dosage spectrophotométrique par étalonnage. Cela nécessitera le calcul des concentrations massiques de toutes les solutions filles.
  • Les seuils de potabilité sont donnés pour différents pays. Pensez à bien contextualiser votre réponse : celle-ci dépendra du lieu du prélèvement.
Corrigé

Questions préalables

1 Connaître les propriétés des couples acide/base

D’après le document 1, les solutions sont complétées par une solution tampon à pH = 10,4. Elles sont donc à un pH aux alentours de 10. D’après les données, le pKa du PNP se trouve à 7,2. En conclusion, la forme présente dans les solutions est la forme basique du PNP.

2 Extraire une information d’un graphique

D’après le document 2, en milieu basique (pH = 10), les solutions de PNP présentent un maximum d’absorbance aux environs de 400 nm et une absorbance quasi nulle aux environs de 300 nm.

Les solutions préparées sont à un pH aux alentours de 10. Il faut donc, pour réaliser un dosage par étalonnage par spectrophotométrie, se placer dans une zone de forte absorbance, soit dans le violet visible (400 nm) plutôt que dans l’ultraviolet (300 nm).

Résolution de problème

Déterminer si l’eau analysée est potable

 

Notez bien

Pour calculer la concentration d’une solution-fille, il faut utiliser la conservation de la matière : CiV =C0Vi.

Pour résoudre ce problème, il faut déterminer si la concentration en PNP de l’eau analysée est inférieure à 60 µg/L puisque l’étude se déroule aux États-Unis.

Les étudiants ont réalisé 5 solutions étalons à partir d’une solution-mère. La concentration d’une solution-fille est . Si on reprend le carnet de laboratoire des étudiants, on peut compléter le tableau de mesures suivant (avec les concentrations).

 

Solution

S1

S2

S3

S4

S5

Concentration (mg/L)

1,0

2,0

3,0

5,0

7,5

A

0,128

0,255

0,386

0,637

0,955

 

On peut alors tracer la courbe d’étalonnage correspondant aux mesures de spectrophotométrie réalisées sur les différentes solutions étalons.


 

On peut alors déterminer la valeur de la concentration de la solution S′ par lecture graphique.

On lit C= 4,5 mg/L.

La solution S′ a été obtenue en diluant 2 fois la solution S puisqu’on a ajouté 50,0 mL de solution tampon aux 50,0 mL de la solution S. Calculons la concentration de la solution S :

C= 2C′ = 9,0 mg/L.

La solution S a été obtenue au concentrant 100 fois la solution E. Calculons la concentration de la solution E :

CE== 0,090 mg/L =90 µg/L.

En conclusion, l’eau E n’est pas potable sur le territoire américain : sa concentration en PNP est de 90 µg/L, ce qui est supérieur à 60 µg/L.