L’acidification des océans

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Structure et transformation de la matière
Type : Exercice | Année : 2013 | Académie : Nouvelle-Calédonie
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
L’acidification des océans
 
 

Structure et transformation de la matière

pchT_1311_11_01C

Comprendre

29

CORRIGE

 

Nouvelle-Calédonie • Novembre 2013

Exercice 2 • 9 points

Moules et huîtres menacées par l’acidification des océans

Depuis le début de l’ère industrielle, les émissions anthropiques1 de dioxyde de carbone (CO2) dans l’atmosphère ont fortement augmenté…

Frédéric Gazeau, chercheur à l’Institut néerlandais d’écologie, et ses collègues dont Jean-Pierre Gattuso, directeur de recherche au laboratoire d’océanographie de Villefranche-sur-Mer (CNRS/université Pierre et Marie Curie), ont examiné la réponse des huîtres et des moules, cultivées en Europe, à l’acidification des océans.

Les résultats, publiés dans la revue Geophysical Research Letters, sont sans appel : ils montrent pour la première fois que ces mollusques seront directement affectés par le bouleversement en cours de la composition chimique de l’eau de mer. Au-delà de leur intérêt commercial, les moules et les huîtres rendent des services écologiques très importants : elles créent par exemple des habitats permettant l’installation d’autres espèces, contrôlent en grande partie les flux de matière et d’énergie, et sont d’importantes proies pour les oiseaux au sein des écosystèmes qui les abritent. Un déclin des espèces aurait donc des conséquences graves sur la biodiversité des écosystèmes côtiers et sur les services qu’elles rendent aux populations humaines.

1. Anthropique : lié aux activités humaines.

Dans cet exercice on s’intéresse :

  • dans les parties 1 et 2, au processus dit « d’acidification de l’océan » et à ses conséquences sur les organismes calcificateurs comme les coraux et les mollusques qui fabriquent un squelette ou une coquille calcaire ;
  • dans la partie 3, à la surveillance par satellite du dioxyde de carbone à l’origine de ce phénomène.

Les parties 1, 2 et 3 sont indépendantes les unes des autres.

Document 1

Évolution depuis 1958 de la concentration en CO2 dans l’atmosphère à Mauna Loa (Hawaï), de la pression de CO2 dans l’océan, du pH de l’océan


 

La courbe représentant la concentration en CO2 dans l’atmosphère exprimée en ppmv (partie par million par volume) n’est qu’une indication de l’évolution de cette concentration sans souci d’échelle. Afin de comparer le contenu en CO2 de l’atmosphère et de l’eau de mer, on définit la pression de CO2 dans l’océan :

où β est le coefficient de solubilité du CO2.

Document 2

Loi de Henry

La dissolution d’un gaz dans l’eau obéit à la loi de Henry selon laquelle, à température constante, la concentration C du gaz dissous est proportionnelle à la pression partielle p qu’exerce ce gaz au-dessus du liquide.

À chaque instant un pourcentage constant des molécules du gaz dissous dans la phase liquide repasse à l’état gazeux et s’échappe du liquide mais, dans le même temps, le même pourcentage de molécules de ce gaz passe en solution. Lorsque les deux flux se compensent, l’équilibre de saturation est atteint, soit pour le dioxyde de carbone :

Document 3

Réactions d’équilibre des espèces carbonées

Dans les eaux de surface de l’océan, le carbone se présente sous trois formes minérales dissoutes en équilibre chimique selon les réactions ci-dessous :

(Réaction 1)

(Réaction 2)

Document 4

Variation en fonction du pH des rapports α1, α2 et α3


 
Document 5

Réaction de dissolution du carbonate de calcium

En présence d’un excès de dioxyde de carbone, le carbonate de calcium CaCO3(s) se dissout selon l’équation :

1. Acidification des océans

1 Que peut-on déduire des courbes du document 1 ? (1 point)

2 Aujourd’hui, les océans ont un pH voisin de 8,1 soit 0,1 unité plus faible qu’au moment de la révolution industrielle.

1. À partir des documents 2 et 3, montrer qu’une augmentation de la quantité de dioxyde de carbone dans l’atmosphère conduit à une diminution du pH dans l’eau. (1 point)

2. Montrer qu’une diminution de 0,1 unité de pH au voisinage de 8,1 représente une augmentation de la concentration en ions oxonium [H3O+] d’environ 30 %. (0,5 point)

2. Le carbone dans les océans

Le carbone est principalement présent dans les océans sous trois formes qui coexistent : l’ion carbonate (aq), l’ion hydrogénocarbonate (aq) et l’acide carbonique H2CO3 (aq). Ce dernier étant instable en solution aqueuse, s’écrit CO2 (aq) + H2O .

On note Ka la constante d’acidité associée au couple acide/base noté HA/A. On peut montrer que pH = pKa+ log . Soient Ka1 et Ka2 les constantes d’acidité des couples associés aux espèces carbonées des réactions 1 et 2 du document 3.

On pose .

Le diagramme du document 4 représente les variations en fonction du pH des rapports suivants :

1 Déduire de ce diagramme les valeurs de pKa1 et pKa2. (1 point)

2 Placer sur un diagramme les domaines de prédominance des espèces , et . (1 point)

3 Évaluer α1, α2 et α3 dans les océans. (0,5 point)

4 La variation de pH observée a-t-elle modifié de manière notable la valeur de α2 ? (0,5 point)

5 Quelle est la conséquence de l’augmentation du dioxyde de carbone dissous pour les organismes marins qui ont une coquille à base de carbonate de calcium ? Justifier à l’aide d’un des documents. (1 point)

3. Étude du mouvement du satellite IBUKI

Document 6

Le satellite IBUKI

Le satellite IBUKI

 

Le début de l’année 2009 a marqué le début d’une nouvelle ère dans l’étude du changement climatique, avec le lancement par les Japonais du premier satellite du monde consacré à l’observation des gaz de l’atmosphère terrestre qui contribuent au réchauffement climatique. Le satellite appelé IBUKI, ce qui signifie « souffle » en japonais, est équipé de capteurs de haute précision qui peuvent sonder environ 56 000 points sur la planète. L’agence spatiale japonaise a décidé de diffuser gratuitement les données du satellite aux scientifiques du monde entier. Elles seront utilisées notamment pour étudier des modèles de cycle du carbone actuellement utilisés pour tenter non seulement de reconstituer les flux entre les différents réservoirs (sols, air, eau, biosphère) mais aussi pour tenter de reconstituer les flux d’émissions anthropiques.

Pour réaliser ces mesures, le satellite IBUKI tourne autour de la Terre suivant une trajectoire circulaire qui passe au-dessus des pôles à l’altitude z= 667 km. Pour régler les appareils de mesure, il a fallu déterminer la durée entre deux passages successifs du satellite au-dessus de l’un des pôles.

Données

  • Rayon de la Terre : .
  • Masse de la Terre : .
  • Masse du satellite IBUKI : .
  • Constante de gravitation universelle : .
  • Expression de l’intensité de la force d’interaction gravitationnelle F entre deux corps de masses MA et MB, de centres A et B, distants de d= AB :
  • Le mouvement du satellite est considéré comme circulaire uniforme.
  • La valeur a de l’accélération d’un satellite, en mouvement circulaire uniforme, de vitesse orbitale v autour d’un astre, sur une orbite de rayon r, a pour expression :

1 Représenter sans souci d’échelle sur un schéma : la Terre, le satellite IBUKI et la force d’interaction gravitationnelle exercée par la Terre sur le satellite IBUKI supposé ponctuel. (0,5 point)

2 En appliquant la deuxième loi de Newton, calculer la valeur de la période de rotation du satellite autour de la Terre, en détaillant les étapes du calcul. (2 points)

Notions et compétences en jeu

pH Constante d’acidité et diagramme de prédominance Satellite en mouvement circulaire uniforme.

Conseils du correcteur

Partie 1

22. Calculez la concentration des ions hydronium H3O+ pour un pH = 8,1 puis pour un pH = 8,0. Comparez les deux valeurs en calculant l’écart relatif.

Partie 2

1 Lorsque les courbes se coupent, leurs valeurs sont égales. Ne pas oublier d’utiliser la relation pH = pKa+ log

3 Évaluez graphiquement à l’aide du document 4.

Partie 3

2 Appliquez la 2e loi de Newton pour exprimer le vecteur accélération. Projetez la relation sur un axe radial et dégagez la valeur de l’accélération en fonction de G, MT et r. Égalez cette valeur avec la formule de l’énoncé. Pour finir, écrivez la formule de la vitesse sur une révolution.

Gagnez des points

Comme il y a peu de questions par rapport aux points (10 questions pour 9 points), veillez à rédiger vos réponses et à ne pas sauter des étapes de raisonnement. Vous devez justifier toutes vos affirmations à partir de vos connaissances ou notamment des documents pour la dernière question.

Corrigé

1. Acidification des océans

1 Analyser un graphique

On peut déduire du document 1 la constante augmentation du CO2 atmosphérique et de la pression du CO2 contenu dans l’eau de mer ainsi que la constante diminution dans le même temps du pH de l’eau de mer. La donnée atmosphérique est mesurée depuis 1958 alors que les deux dernières ne sont mesurées que depuis 1990.

21. Déduire l’évolution du pH à partir de documents

D’après le document 2, plus il y a de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, plus il y a de dioxyde de carbone dissous dans l’océan. Or le dioxyde de carbone dissous dans l’eau de mer réagit selon la réaction 1 du document 3, c’est-à-dire comme un acide : il libère un ion hydronium. De plus, la base conjuguée formée est aussi un acide et par conséquent réagit à son tour avec l’eau, pour libérer un second ion hydronium.

Étant donné que ces ions H3O+ sont responsables de l’acidité d’une solution aqueuse, les réactions du document 3 expliquent que la présence accrue de CO2(aq) dans l’eau de mer augmente la concentration des ions H3O+(aq) et donc diminue la valeur du pH dans cette eau. En effet, le pH est une fonction décroissante de la concentration des ions hydronium (pH = – log[H3O+]).

2. Calculer le pourcentage d’évolution d’une concentration

On a la relation : [H3O+] = 10−pH.

Donc la concentration molaire des ions hydronium à un pH égal à 8,1 est : [H3O+]1=10−8,1= 7,94 × 10−9 mol ∙ L−1

et celle, à un pH diminué de 0,1 unité, est :

[H3O+]2= 1,0 × 10-8 mol ∙ L−1.

La concentration entre ces deux pH a donc augmenté d’environ 2,06 × 10–9 mol ∙ L−1. Par rapport à la concentration initiale, cette augmentation représente : = 0,26 = 26 %.

On a donc « une augmentation d’environ 30 % ».

Autre méthode

Le rapport de ces concentrations est :

== 100,1= 1,26.

On constate donc une augmentation de 26 % de cette concentration.

2. Le carbone dans les océans

1 Déterminer graphiquement la valeur d’un pKa

Pour pH = 6,2 on a, d’après le document 4, α1= α2 donc :

= soit [CO2] = [HCO3].

Or CO2 et HCO3 sont l’acide et la base conjuguée du couple CO2/HCO3. Donc, en appliquant la relation pH = pKa+ log à ce pH, on obtient :

6,2 = pKa1+ log(1) donc pKa1= 6,2.

De la même façon, on détermine le pKa2 du couple HCO3/CO32– en prenant l’abscisse pour lequel les courbes α2 et α3 se coupent. À ce pH, les concentrations des ions HCO3 et CO32– sont égales et donc :

pH =pKa2= 10,4.

2 Tracer un diagramme double de domaine de prédominance


 
 

Attention

Ne pas oublier de mettre le pH à l’extrémité de la flèche.

Ici les espèces des deux couples sont à mettre du même côté de l’axe car il y a une espèce ampholyte donc commune aux deux. Habituellement, lorsqu’il y a deux couples acidobasiques, on en met un au-dessus de l’axe et l’autre en dessous

3 Utiliser un graphique

Dans les océans, on a un pH d’environ 8, donc en prenant 8 comme abscisse sur le document 4, on peut évaluer les valeurs de α1, α2 et α3 :

α1= 0,03, α2= 0,96 et α3= 0,01.

4 Déduire d’un graphique

Étant donné le graphique du document 4, on ne peut pas dire que la valeur de α2 ait été modifiée de façon notable (on se trouve proche du maximum et la variation est faible suivant le pH).

5 Déduire une conséquence de réaction chimique

 

Attention

Faites toujours référence au document à partir duquel vous déduisez votre raisonnement.

L’augmentation du dioxyde de carbone dissous peut engendrer la réaction chimique écrite dans le document 5 puisqu’elle se produit « en présence d’un excès de dioxyde de carbone ». Le carbonate de calcium des coquilles est alors consommé et ces coquilles se voient attaquées chimiquement selon la réaction d’équation :

Le carbonate de calcium solide est alors dissous en espèces aqueuses. La coquille de ces organismes étant une protection, celle-ci sera de plus en plus fine voire disparaîtra, ce qui les rendra plus vulnérables.

3. Étude du mouvement du satellite IBUKI

1 Schématiser un satellite et son astre attracteur


 

2 Calculer la période de révolution d’un satellite en mouvement circulaire uniforme

En appliquant la deuxième loi de Newton, on trouve :

Étant donné que la masse du satellite est constante, on a :

.

Donc en projection sur la droite passant par les centres de gravité de la Terre et du satellite :

msa=F=G

On obtient donc, à partir de la seconde loi de Newton :

a=G

Or, d’après les données de l’énoncé, le mouvement du satellite est circulaire uniforme, alors :

a= d’où =G soit v² =

Cette vitesse étant constante, elle est égale au quotient :

Appliquée à une révolution (sur un tour) on obtient :

v =

 

Notez bien

Le périmètre d’un cercle est égal à 2πr avec r le rayon du cercle.

Donc T=.

Or r=RT+z, donc :

Application numérique

T= 5,89 × 103 s =1 h 38 min.