Les fourmis détiennent-elles la clé du carburant du futur ?

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Structure et transformation de la matière
Type : Exercice | Année : 2014 | Académie : Nouvelle-Calédonie
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Les fourmis détiennent-elles la clé du carburant du futur ?
 
 

Structure et transformation de la matière

pchT_1403_11_00C

Comprendre

28

CORRIGE

 

Nouvelle-Calédonie • Mars 2014

Exercice 1 • 5 points

Document

 

L’hydrogène est souvent désigné comme le futur remplaçant des carburants fossiles. Il est facilement produit à partir d’énergie électrique. Écologique et performant, il n’en présente pas moins de nombreux inconvénients. Extrêmement inflammable, il doit être stocké dans d’encombrantes bouteilles pressurisées. Autant d’obstacles à son utilisation, que les scientifiques de l’EPFL et leurs confrères du Leibniz-Institut für Katalyse ont levés, en stockant l’hydrogène sous la forme d’acide formique. Grâce à un catalyseur et au CO2 présent dans l’atmosphère, les scientifiques ont transformé l’hydrogène en acide formique.

Plutôt qu’une lourde bouteille de fonte remplie d’hydrogène sous pression, ils obtiennent ainsi une substance très peu inflammable et liquide à température ambiante. Une solution pour accumuler l’énergie des sources renouvelables comme le solaire ou l’éolien, ou alimenter la voiture de demain.

En novembre 2010, seconde étape. Les laboratoires sont parvenus à provoquer le phénomène inverse : par le biais d’une catalyse, l’acide formique retourne de manière totale à l’état de CO2 et d’hydrogène, lequel peut ensuite être transformé en énergie électrique. Un prototype fonctionnel, peu encombrant et d’une puissance de deux kilowatts est d’ores et déjà au point.

Stocker les énergies renouvelables

« Imaginez par exemple que vous ayez des cellules solaires sur votre toit, explique Gabor Laurenczy, professeur au Laboratoire de chimie organométallique et médicinale et chef du Groupe de catalyse pour l’énergie et l’environnement. Par mauvais temps ou durant la nuit, votre pile à combustible (H2, O2) vous restitue le trop-plein d’énergie accumulé quand le soleil brillait. » Dans une telle configuration, le procédé permet de restituer plus de 60 % de l’énergie électrique de départ. Cette solution est extrêmement sûre. L’acide formique libère de manière continue de très petites quantités d’hydrogène, « juste ce dont vous avez besoin sur le moment pour votre consommation électrique », relève le chercheur.

Autre avantage par rapport au stockage conventionnel, le procédé permet de stocker presque le double d’énergie à volume égal. En effet, un litre d’acide formique peut libérer par une transformation chimique plus de 53 grammes d’hydrogène, contre à peine 28 grammes pour un même volume d’hydrogène pur pressurisé à 350 bars.

Enfin, les chercheurs ont travaillé sur un procédé de catalyse basé sur le fer, métal facilement disponible et peu coûteux en comparaison des métaux « nobles » comme le platine ou le ruthénium.

De l’acide formique à la pompe

C’est sans doute dans le domaine automobile que l’invention présente les potentiels les plus intéressants. Actuellement, les prototypes produits par certaines grandes marques stockent l’hydrogène sous forme classique, avec les problèmes que l’on sait : danger d’explosion, volume important occupé par le réservoir pressurisé, difficultés pour faire le plein rapidement…

Les véhicules du xxie siècle pourraient rouler à l’acide formique. Cette solution permet un stockage de l’hydrogène non seulement plus sûr, mais également plus compact et plus simple à remplir à la pompe – l’acide formique est liquide à température ambiante. « Techniquement, c’est tout à fait faisable. D’ailleurs, de grands constructeurs nous ont contactés en 2008, quand le baril du pétrole a atteint des sommets, confie Gabor Laurenczy. À mon sens, le seul obstacle est économique. » Il s’écoulera encore quelques années avant de peut-être pouvoir faire le plein à la première fourmilière croisée sur le chemin.

D’après le communiqué de presse de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) du 30 novembre 2010 (journaliste : Lionel Pousaz)

Toutes les questions sont indépendantes.

1. L’acide formique dans de nouvelles chaînes énergétiques

Données

  • Formule développée de l’acide formique :
  • Densité de l’acide formique par rapport à l’eau : dAH= 1,22.
  • Masse volumique de l’eau ρ = 1,0 kg·L–1.
  • Masse molaire atomique de l’hydrogène : MH= 1,0 g·mol–1.
  • Masse molaire atomique de l’oxygène : MO= 16,0 g·mol–1.
  • Masse molaire atomique du carbone : MC= 12,0 g·mol–1.

1 Donner trois arguments qui indiquent que l’acide formique serait plus avantageux que l’hydrogène dans les véhicules du futur. (0,75 point)

2 Démontrer que l’affirmation du texte « un litre d’acide formique peut libérer par une transformation chimique plus de 53 grammes d’hydrogène » est vraie. (0,75 point)

3 Compléter la chaîne des conversions d’énergie et des transformations chimiques en annexe avec les termes suivants : CO2, énergie électrique, O2, HCO2H. (0,5 point)

2. L’acide formique en milieu biologique

Dans la dernière phrase de l’article, le journaliste évoque la possibilité de faire le plein de carburant à la première fourmilière croisée sur le chemin. Depuis très longtemps les scientifiques s’intéressent à l’acide formique. En 1671, le naturaliste anglais John Ray a isolé, par distillation d’un grand nombre de fourmis mortes, un liquide incolore à forte odeur âcre et au caractère acide nommé acide formique.

1 Piqûre de fourmi

Les fourmis se défendent en mordant avec leurs mandibules et, pour certaines espèces, en projetant de l’acide formique dans la morsure. La réaction avec l’eau des tissus occasionne des brûlures.

Mandibules

 
Abdomen dirigé
vers la zone de morsure

 

1. Pourquoi l’acide formique est-il un acide selon la théorie de Brönsted ? (0,5 point)

2. Écrire l’équation de la réaction chimique à l’origine des brûlures. (0,5 point)

2 L’estomac du tamanoir

Tamanoir

 

La digestion des aliments dans l’estomac nécessite un milieu acide de pH environ égal à 2. Chez la plupart des mammifères, ce pH est atteint grâce à la production d’acide chlorhydrique dans l’organisme. En revanche, l’appareil digestif du tamanoir est différent en raison de son régime alimentaire : il mange jusqu’à 30 000 fourmis par jour !

Données

  • L’acide formique est un acide faible dans l’eau.
  • pKA du couple acide formique/ion formiate (HCO2H (aq)/HCO2 (aq)) : 3,8.
  • pKA du couple eau/ion hydroxyde (H2O (l)/HO (aq)) : 14,0.
  • pKA du couple ion oxonium/eau (H3O+ (aq)/H2O (l)) : 0.
  • pH = – log ([H3O+]) avec [H3O+] en mol·L–1.
  • pH > – log (c) pour une solution aqueuse d’acide faible de concentration c (en mol·L–1) en soluté apporté.

1. Quelle est l’espèce prédominante du couple acide formique/ion formiate dans l’estomac des tamanoirs ? Justifier. (0,75 point)

2. La concentration en acide formique apporté dans l’estomac du tamanoir est-elle égale, inférieure ou supérieure à 10–2 mol·L–1 ? Justifier. (0,75 point)

3. Proposer une hypothèse justifiant le fait que les tamanoirs n’ont pas besoin de produire d’acide chlorhydrique pour leur digestion. (0,5 point)

Annexe

Chaîne des conversions d’énergie et des transformations chimiques

 

Notions et compétences en jeu

Réactions chimiques par échange de proton • Distinction entre acides forts et acides faibles.

Conseils du correcteur

Partie 1

1 Cherchez dans le document fourni. Résumez chaque argument par un adjectif décrivant la qualité de l’acide par rapport à l’hydrogène (« plus pratique », « plus économique », « plus rapide », etc.).

2 L’acide est ici un liquide pur (et non une solution) : il faut donc utiliser sa masse volumique pour déterminer le nombre de moles d’acide par litre puis le nombre d’atomes d’hydrogène.

Partie 2

12. Lors de l’écriture d’une équation de réaction, demandez-vous si elle est totale ou non totale (pour savoir quelle flèche vous devez utiliser), et n’oubliez pas les états « aqueux », « liquide », « solide » ou « gazeux ».

21. Comparez le pH de l’estomac du tamanoir avec le pKa sur un diagramme de prédominance.

22. Vous savez, d’après les données, que l’acide formique est un acide faible. Utilisez la formule du pH pour un acide fort.

Corrigé

1. L’acide formique dans les nouvelles chaînes énergétiques

1 Utiliser les données d’un texte

 

Attention !

Il faut ici dégager trois avantages et non recopier des parties du texte.

D’après les documents nous pouvons trouver trois avantages de l’acide formique sur l’hydrogène pour son utilisation dans les transports.

  • Plus pratique : l’hydrogène est sous forme gazeuse alors que l’acide formique est liquide à température ambiante, cela pose par conséquent moins de problèmes de stockage et de remplissage à la pompe.
  • Plus sécurisé : l’hydrogène est extrêmement inflammable alors que l’acide formique ne l’est que « peu ».
  • Plus énergétique donc plus d’autonomie : à volume égal, l’acide formique est plus énergétique que l’hydrogène ce qui revient à dire qu’avec le même volume de réservoir on peut faire davantage de kilomètres.

2 Calculer une proportion massique dans un composé

 

Gagnez des points

Ceux qui sont moins à l’aise en maths peuvent apprendre directement la formule n =.

Calcul de la quantité d’acide formique dans un litre d’acide formique :

nAH= (on utilise ici les notations de l’énoncé)

=

nAH=.

Application numérique

 

Remarque

Dans le résultat de cette application numérique, on arrondit avec deux chiffres significatifs, d’où le 27 mol d’acide…

En revanche pour continuer les calculs, il faut utiliser la valeur non approchée (26,50), ce qui donnera 53 mol d’hydrogène, et non 54 mol (2 × 27).

nAH=

= 26,50 mol ≈ 27 mol.

Dans 1 litre d’acide formique, on a donc 27 moles d’acide formique.

On a deux atomes d’hydrogène par molécule d’acide formique donc, dans un litre d’acide ­formique, on a :

2 × 26,5 = 53 mol d’hydrogène.

 

Attention

Regardez l’unité de la masse volumique et adaptez le volume en conséquence : mL, L ou m3.

Cela donne une masse :

mH=nH×MH= 53 × 1,0 =53 g.

3 Utiliser des données pour compléter un diagramme synthétique


 
Chaîne des conversions d’énergie et des transformations chimiques

2. L’acide formique en milieu biologique

11. Connaître la définition d’un acide

La molécule d’acide formique possède un groupe carboxyle (il s’agit d’un acide carboxylique) or, dans ce groupe, l’atome d’hydrogène peut être cédé à un accepteur d’hydrogène. L’acide formique est donc bien un acide conformément à la théorie de Brönsted qui dit qu’un acide se caractérise par sa capacité à céder un atome d’hydrogène.

2. Écrire une équation de réaction

D’après les documents, c’est la réaction de l’acide formique avec l’eau qui provoque les brûlures donc il s’agit de la réaction d’équation :

HCOOH(aq)+ H2O(l) ⇄ HCOO(aq)+ H3O+(aq)

21. Déterminer l’espèce prédominante

En dressant le diagramme de prédominance du couple acide formique/ion formiate on obtient le diagramme suivant :


 

Dans l’estomac du tamanoir, le pH étant égal à 2, donc inférieur au pKa du couple acide formique/ion formiate, c’est l’acide formique qui prédomine.

2. Déterminer un ordre de grandeur de concentration

D’après l’énoncé, pH < – log(c) car l’acide formique est un acide faible dans l’eau (précision apportée par les données du sujet) donc ici – log(c) > 2, d’où : log(c) < – 2 et c > 10-2 mol·L–1

car 10x est une fonction décroissante pour x < 0 (d’où le changement de < en >).

Autre méthode

Cette démonstration conviendra aux élèves à l’aise en mathématiques. Si ce n’est pas votre cas, vous pouvez aussi justifier votre réponse avec le raisonnement suivant. Le pH est égal à 2 donc la concentration des ions oxonium dans l’estomac du tamanoir est égale à :

[H3O+](f) =10–pH= 10–2 mol·L–1.

Si l’acide formique était un acide fort, on aurait égalité entre la concentration finale d’ion oxonium et la concentration initiale d’acide formique (appelée concentration apportée). On aurait alors c= 10–2 mol·L–1.

Or, d’après l’énoncé, il s’agit d’un acide faible donc sa réaction avec l’eau est équilibrée donc non totale. La concentration finale des ions [H3O+](f) est donc inférieure à la concentration apportée en acide formique c. On a donc : [H3O+](f)<c c’est-à-dire c > 10–2 mol·L–1.

3. Utiliser les données pour justifier une affirmation

D’après l’énoncé, on sait que la distillation de fourmis permet de récupérer de l’acide formique donc cet acide formique est « contenu » dans le corps des fourmis. Or, le tamanoir mange jusqu’à 30 000 fourmis par jour et ingurgite donc une quantité importante d’acide formique qui est, comme nous l’avons vu, un acide (faible).

Cette grande consommation de fourmis, et donc cet apport d’acide formique, pourrait expliquer que les tamanoirs n’ont pas à produire d’acide chlorhydrique pour leur digestion.