Partie 1. Régulation de l'acidité

▶ 1. Proposer une méthode pour diminuer le pH d'un milieu

Si la valeur du pH devient trop élevée dans l'aquarium, nous devons en diminuer sa valeur. Pour cela, on peut ajouter une solution acide, riche en ions oxonium.

▶ 2. Citer et utiliser les propriétés d'une solution tampon

Une solution tampon est une solution dont le pH varie peu par dilution modérée ou par ajout modéré d'une solution d'acide ou d'une base.

D'après l'introduction, l'aquarium constitue un écosystème complexe et fragile que l'on doit maintenir à l'équilibre. Ainsi, l'eau de cet aquarium doit être une solution tampon pour éviter toute variation importante de pH nuisible à l'écosystème.

▶ 3. Justifier la faible solubilité du dioxyde de carbone dans l'eau

La molécule de dioxyde de carbone comporte deux liaisons C=O polarisées car χ(C) ≠ χ(O). La molécule étant linéaire, les positions moyennes des charges partielles positives et négatives sont confondues en l'atome de carbone. Cette molécule est apolaire.

La molécule d'eau comporte deux liaisons O-H polarisées car χ(O) ≠ χ(H). La molécule étant coudée, les positions moyennes des charges partielles positives et négatives ne sont pas confondues. Cette molécule est polaire.

Le dioxyde de carbone, apolaire, est donc faiblement soluble dans l'eau qui est un solvant polaire.

▶ 4. Identifier des acides et des bases au sens de Brönsted

D'après les couples acide-base donnés dans l'énoncé, les espèces chimiques qualifiées d'acides selon Brönsted sont :

(CO₂, H₂O)_(aq) et ${\text{HCO}}_3^{-}{}_{(\text{aq})}$.

Les espèces chimiques qualifiées de bases selon Brönsted sont : ${\text{HCO}}_3^{-}{}_{(\text{aq})}$ et ${\text{CO}}_3^{2-}{}_{(\text{aq})}$.

▶ 5. Déterminer l'espèce chimique prédominante d'un couple selon le pH de la solution

On utilise les deux valeurs de pK_A données dans l'énoncé pour tracer le diagramme de prédominance suivant :

D'après l'énoncé, le pH de l'aquarium est égal à 8,1. On utilise le diagramme de prédominance pour conclure qu'à ce pH, c'est ${\text{HCO}}_3^{-}$_(aq) qui prédomine.

▶ 6. Expliquer le rôle du diffuseur de CO₂

L'injection dans l'eau de dioxyde de carbone gazeux, qui est une espèce chimique acide, provoque une diminution du pH de l'eau. D'après le diagramme de prédominance précédent, les espèces chimiques prédominantes seront alors (CO₂, H₂O)_(aq) et ${\text{HCO}}_3^{-}$_(aq). L'ion carbonate ${\text{CO}}_3^{2-}$_(aq) ne sera pas présent. Ainsi, la réaction de formation de calcaire ne pourra pas se produire. On en conclut que l'utilisation d'un diffuseur de CO₂ dans l'aquarium peut freiner la formation du squelette et de la coquille des coraux.

Partie 2. Contrôle de la salinité

▶ 1. Interpréter une courbe de titrage conductimétrique

L'équation de la réaction support du titrage est : Ag⁺_(aq) + Cl^–_(aq) → AgCl_(s)

Les ions présents dans la solution titrée sont : Na⁺_(aq) et Cl^–_(aq).

Les ions présents dans la solution titrante sont : Ag⁺_(aq) et NO₃^–_(aq).

Avant l'équivalence

Les ions présents sont : Cl^–_(aq), Na⁺_(aq) et NO₃^–_(aq).

Donc σ_solution = λ(Cl^–) × [Cl^–] + λ(Na⁺) × [Na⁺] + λ(NO₃^–) × [NO₃^–].

Les ions Ag⁺ versés constituent le réactif limitant et ils réagissent tous avec les ions Cl^– présents. Ainsi, [Cl^–] diminue et le terme λ(Cl^–) × [Cl^–] diminue aussi.

Les ions NO₃^– apportés par la solution titrante contribuent à la conductivité : [NO₃^–] augmente et le terme λ(NO₃^–) × [NO₃^–] augmente.

Enfin, si on néglige l'effet de la dilution, on peut considérer que la concentration [Na⁺] reste constante et donc que le terme λ(Na⁺) × [Na⁺] reste constant.

Or, d'après le tableau des conductivités molaires ioniques, on constate que λ(Cl^–) > λ(NO₃^–).

Donc, parmi les trois termes précédents, c'est λ(Cl^–) × [Cl^–] qui prédomine. Ainsi, la conductivité de la solution diminue progressivement.

À l'équivalence

Seuls les ions spectateurs Na⁺ et NO₃^– sont présents.

Donc σ_solution = λ(Na⁺) × [Na⁺] + λ(NO₃^–) × [NO₃^–].

La conductivité de la solution est minimale.

Après l'équivalence

Les ions présents sont : Na⁺_(aq), Ag⁺_(aq) et NO₃^–_(aq).

Donc σ_solution = λ(Na⁺)[Na⁺] + λ(Ag⁺)[Ag⁺] + λ(NO₃^–)[NO₃^–].

Les ions Cl^– sont tous consommés après l'équivalence. On ajoute des ions Ag⁺ et NO₃^– qui ne sont pas consommés, donc leurs concentrations augmentent. Si on néglige l'effet de dilution, on peut considérer que la concentration [Na⁺] reste constante. On en déduit que la conductivité de la solution augmente.

▶ 2. Exploiter l'équivalence d'un titrage pour déterminer une concentration en masse

Pour savoir si un traitement de l'eau de l'aquarium est nécessaire, on contrôle la salinité en déterminant la concentration en masse en ion chlorure à partir de l'exploitation de la courbe de suivi conductimétrique du titrage.

Étape 1. Écrire la relation à l'équivalence

On réalise le titrage d'un volume V₂ d'eau de l'aquarium, dont la concentration en ions chlorure est notée [Cl^–]_titré, par une solution de nitrate d'argent (Ag⁺_(aq) + NO₃^–_(aq)) de concentration C₁ = 5,00 × 10^–2 mol · L^–1 et dont le volume versé à l'équivalence est noté V_1éq.

À l'équivalence, les réactifs titré et titrant ont été introduits dans les proportions stœchiométriques de l'équation de la réaction support du titrage. Ainsi la quantité de matière initiale d'ions chlorure n_i(Cl^–) contenu dans la prise d'essai est égale à la quantité de matière d'ions argent n(Ag⁺)_versé versés à l'équivalence :

n(Cl^–)_titré = n(Ag⁺)_versé soit [Cl^–]_titré × V₂ = C₁ × V_1éq

d'où [Cl^–]_titré = $\frac{C_1\times V_{1\text{éq}}}{V_2}$

Étape 2. Exploiter la courbe de suivi conductimétrique pour déterminer la valeur du volume équivalent

Étape 3. Exprimer la concentration en quantité de matière en ion chlorure de l'eau de l'aquarium

L'eau de l'aquarium a été diluée d'un facteur 10 avant de réaliser son titrage donc la concentration en quantité de matière en ion chlorure de l'eau de l'aquarium est [Cl^–]_aquarium = 10 × [Cl^–]_titré.

Ainsi [Cl^–]_aquarium = $\frac{10\times C_1\times V_{1\text{éq}}}{V_2}$.

Étape 4. Exprimer puis calculer la concentration en masse en ion chlorure de l'eau de l'aquarium

C_m(Cl^–)_aquarium = [Cl^–]_aquarium × M(Cl^–) d'où C_m(Cl^–)_aquarium = $\frac{10\times C_1\times V_{1\text{éq}}}{V_2}$ × M(Cl^–).

Application numérique :

$\begin{array}{c}{C}_{\text{m}}{({\text{Cl}}^{–})}_{\text{aquarium}}=\frac{10\times \mathrm{5,00}\times {10}^{-2}\times \mathrm{10,5}}{\mathrm{10,0}}\times \mathrm{35,5}\\ =\mathrm{18,6}\text{g}\cdot {\text{L}}^{-1}.\end{array}$

La concentration en masse en ion chlorure de l'eau de l'aquarium étudié est donc égale à 18,6 g · L^–1.

Étape 5. Conclure

La concentration en masse en ion chlorure de l'eau de l'aquarium étudié n'est pas comprise entre 19,3 et 19,6 g · L^–1, elle est inférieure à la salinité de celle préconisée pour l'aquarium récifal. Par conséquent, on en déduit qu'il est nécessaire de faire un traitement de l'eau de l'aquarium.

Partie 3. Traitement des poissons contre les vers

▶ 1. a) Justifier le nom d'une molécule

D'après la formule développée, la chaîne carbonée de la molécule B ne possède qu'un seul atome de carbone. C'est un dérivé du méthane.

De plus, le groupe caractéristique est le groupe carbonyle situé en bout de chaîne. Cette molécule fait partie de la famille des aldéhydes : elle se nomme bien le méthanal.

b) Exploiter une formule topologique

La formule semi-développée de la molécule C s'écrit :

En comptant tous les atomes, on en déduit sa formule brute : C₇H₁₂O₂.

c) Déterminer la formule brute d'un produit formé

À partir de l'équation donnée dans l'énoncé, on écrit les formules brutes de chaque espèce chimique :

On va utiliser la conservation des éléments chimiques pour déterminer la formule brute du produit F formé, c'est-à-dire déterminer les nombres entiers positifs w, x, y et z de sa formule brute C_wH_xO_yN_z^.

Pour qu'il y ait conservation de l'élément C, il faut que :

9 + 1 + 7 + 4 = 21 + w d'où w = 0.

Pour qu'il y ait conservation de l'élément H, il faut que :

9 + 2 + 12 + 11 = 32 + x d'où x = 2.

Pour qu'il y ait conservation de l'élément O, il faut que :

0 + 1 + 2 + 2 = 4 + y d'où y = 1.

Pour qu'il y ait conservation de l'élément N, il faut que :

1 + 0 + 0 + 1 = 2 + z d'où z = 0.

On en déduit que le second produit formé est de l'eau de formule H₂O.

d) Calculer le rendement d'une réaction

Le rendement est donné par : r = $\frac{n_{\text{exp}}(\text{E})}{n_{\text{max}}(\text{E})}$ avec n_exp(E) = $\frac{m_{\text{exp}}(\text{E})}{M(\text{E})}$.

D'après l'équation de la réaction et les quantités de matière introduites, on constate que le mélange initial est ­stœchiométrique.

Donc, si la réaction est totale, x_max = 0,110 mol et on obtient : n_max(E) = x_max = 0,110 mol.

Sachant que la masse expérimentale de la molécule E obtenue à la fin de la synthèse est m_exp(E) = 40,9 g, on calcule :

r = $\frac{n_{\text{exp}}(\text{E})}{n_{\text{max}}(\text{E})}$ = $\frac{\frac{m_{\text{exp}}(\text{E})}{M(\text{E})}}{n_{\text{max}}(\text{E})}= \frac{\frac{\mathrm{40,9}}{\mathrm{376,5}}}{\mathrm{0,110}}$ = 0,988 soit r = 98,8 %. Le rendement de cette synthèse est très bon, il y a eu très peu de pertes.

▶ 2. a) Identifier les étapes d'un protocole

L'étape a correspond à une dissolution suivie d'une transformation chimique.

L'étape c correspond à une séparation.

b) Nommer une méthode d'identification

Comme le produit de synthèse obtenu est un solide, il existe deux techniques d'identification envisageables : la chromatographie sur couche mince et la mesure de la température de fusion.

Partie 4. Prévention des infections

▶ 1. Justifier une étape

Comme le charbon actif trouble l'eau à analyser, l'étape de filtration permet d'éliminer le charbon actif du mélange.

▶ 2. Déterminer une masse grâce à un dosage spectrophotométrique

Étape 1. Déterminer les concentrations massiques en bleu de méthylène dans l'eau polluée et dans l'eau traitée

Pour cela, on utilise la figure 3, sur laquelle on trace la droite d'étalonnage passant par le maximum de points expérimentaux.

Ensuite, par lecture graphique, on obtient

pour A_traitée = 0,2 : C_m traitée = 2,0 mg · L^–1

pour A_polluée = 1,5 : C_m polluée = 15,0 mg · L^–1

Étape 2. Déterminer la masse de colorant contenue dans l'eau

Comme la concentration massique s'exprime par C_m = $\frac{m}{V}$, alors m = C_m × V.

Ainsi, on calcule les masses de colorant contenues dans l'eau :

– eau polluée : m(colorant)_polluée = C_m polluée×V_eau = 15,0 × 50,0×10^–3 = 0,75 mg

– eau traitée : m(colorant)_traitée = C_m traitée×V_eau = 2,0 × 50,0×10^–3 = 0,10 mg.

Étape 3. En déduire la masse de colorant adsorbée pour 100,0 mg de charbon actif ajoutés

La masse m_a, 100 mg de colorant adsorbé est donnée par :

m_a, 100 mg = m(colorant)_polluée – m(colorant)_traitée = 0,75 – 0,10 = 0,65 mg.

Ce résultat signifie qu'il y a 0,65 mg de colorant adsorbé pour 100,0 mg de charbon actif ajouté.

Étape 4. En déduire la masse m_a de colorant adsorbée pour 1 g de charbon actif

Par proportionnalité, on en déduit la masse de colorant adsorbée pour 1 g, soit 1 000 mg, de charbon actif : m_a = $\frac{\mathrm{0,65}\times 1000}{\mathrm{100,0}}$ = 6,5 mg. Cette valeur est bien en accord avec les 7 mg de l'énoncé.

▶ 3. Calculer une masse par relation de proportionnalité

L'énoncé nous informe qu'il est nécessaire d'ajouter 1 à 2 mg de bleu de méthylène par litre d'eau. Ainsi, pour traiter l'aquarium dont le volume V est 8 000 L, il faut : 8 000 mg  m_colorant  16 000 mg.

D'après la question précédente, on a vu que 7 mg de colorant peuvent être adsorbés par 1 g de charbon actif.

On calcule alors, par proportionnalité, $\frac{8 000\times 1}{7}{m}_{\text{charbon actif}}\frac{16 000\times 1}{7}$

soit 1 143 g  m_{charbon actif}  2 286 g

ou 1,1 kg  m_{charbon actif}  2,3 kg.

Cette masse de charbon actif paraît cohérente au vu du volume de l'aquarium.