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Physique-Chimie • La matière
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France métropolitaine • Septembre 2019
Surveillance de la qualité de l'air par LIDAR
Intérêt du sujet • La qualité de l'air doit être vérifiée pour préserver la santé des habitants. L'un des polluants surveillés est l'ozone, détecté par un signal laser.
Dans les grandes villes, la qualité de l'air est contrôlée en permanence, afin de préserver la santé des habitants. Si certains seuils de polluants (ozone, microparticules…) sont dépassés, les pouvoirs publics prennent des mesures de prévention, comme la réduction de la vitesse des véhicules sur les voies périphériques.
On s'intéresse ici à la composition de l'air en ville et à l'apparition de l'ozone en cas de pollution. On étudie ensuite un système de surveillance de la qualité de l'air : le LIDAR.
document 1La composition de l'air (en volume)
▶ 1. En s'aidant du document 1, indiquer, parmi la liste des formules chimiques ci-dessous, celles des deux principaux composants de l'air (non pollué) : (2,5 points)
H2, H2O, CH4, CO2, CO, O2, O3, N2, NO, NO2.
▶ 2. Les polluants proviennent en partie de la circulation automobile. Les voitures dotées d'un moteur à explosion réalisent la combustion de l'essence et libèrent différents gaz dont le dioxyde de carbone CO2 et des oxydes d'azote notés NOx. L'énergie chimique libérée est en partie convertie en énergie cinétique. Le reste est perdu sous forme de chaleur.
Sans recopier le diagramme de conversion d'énergie ci-après, affecter à chaque numéro une forme d'énergie en choisissant parmi les termes suivants : (3 points)
énergie chimique, énergie électrique, énergie lumineuse, énergie cinétique et énergie thermique.
▶ 3. En utilisant le document 2, proposer un protocole expérimental qui permet de mettre en évidence la production de dioxyde de carbone CO2 obtenu lors d'une combustion. La réponse devra être accompagnée par des phrases et des schémas illustrant l'expérience réalisée. Toute démarche, même partielle, sera prise en compte. (6 points)
document 2Banque de données
Liste des composés et du matériel de chimie disponibles
Tests d'identification de certaines substances
▶ 4. En ville, l'ozone de formule O3 est un gaz polluant. Il se forme par une transformation chimique entre le dioxyde d'azote NO2 et le dioxygène O2, en présence de lumière du Soleil. (8 points)
a) Donner les compositions atomiques des molécules de dioxygène et d'ozone.
b) La transformation chimique, évoquée ci-dessus, est modélisée par l'équation chimique suivante :
NO2 + O2 → NO + O3 en présence de lumière.
Montrer que cette équation respecte la conservation des atomes.
▶ 5. Le LIDAR permet notamment d'analyser la composition de l'air et de repérer certains gaz. Il fonctionne à l'aide d'un laser qui émet, pendant un très court instant, une onde électromagnétique du même type que la lumière. Ce signal se déplace à la vitesse de 300 000 km/s.
document 3La détection de l'ozone
Le signal met 3 μs pour aller jusqu'à la zone analysée et revenir au récepteur. Déterminer la distance entre le LIDAR et la zone analysée. Expliquer la démarche en quelques phrases, et préciser la relation utilisée. Toute démarche, même partielle, sera prise en compte.
On rappelle 1 μs = 10–6 s. (5,5 points)
Les clés du sujet
Comprendre les documents
Répondre aux questions
▶ 3.
▶ 5. Utilise le schéma pour écrire ta formule : la précision donnée sur le temps mis par le signal est importante.
▶ 1. Les deux principaux constituants de l'air sont le dioxygène de formule O2 et le diazote de formule N2.
▶ 2. Les correspondances entre les numéros et les énergies sont :
1 : Énergie chimique
2 : Énergie cinétique
3 : Énergie thermique
▶ 3. Test du CO2 libéré lors de la combustion d'une bougie :
▶ 4. a) Le dioxygène est composé de deux atomes d'oxygène tandis que l'ozone est composé de trois atomes d'oxygène.
b) Pour montrer la conservation des atomes lors d'une transformation chimique, il faut vérifier qu'il y a le même nombre de chaque atome avant et après la transformation.
On constate, d'après l'équation de la réaction, qu'il y a un atome d'azote N dans NO2 avant la réaction et autant dans NO après.
Il y a aussi 4 atomes d'oxygène dans NO2 et O2 réunis, que l'on retrouve après la réaction dans NO et O3.
Les éléments sont donc conservés lors de cette transformation.
▶ 5. On appelle d la distance entre le LIDAR et l'ozone. D'après l'énoncé, le temps t = 3 µs correspond à un aller-retour et la vitesse du signal est C = 300 000 km/s.
info +
Le schéma montre bien la distance parcourue, utilise-le pour écrire ta formule.
On utilise la relation suivante pour calcul de d :
.
D'où 2d = C × t.
Et = × = 300 000 × = 0,45 km = 450 m.
La distance entre le LIDAR et la zone analysée est de 450 mètres.