Annale corrigée Exercice

Surveillance de la qualité de l'air par LIDAR

France métropolitaine • Septembre 2019

Surveillance de la qualité de l'air par LIDAR

30 min

25 points

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)

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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.

sci3_1909_07_00C_02

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

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Tests d'identification de certaines substances

Tableau de 4 lignes, 3 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : Substance à identifier;Réactif test;Observation attendue;Corps du tableau de 3 lignes ;Ligne 1 : Eau; Sulfate de cuivre anhydre; Le sulfate de cuivre initialement blanc devient bleu.; Ligne 2 : Dioxyde de carbone; Eau de chaux; L'eau de chaux se trouble.; Ligne 3 : Ions chlorure; Nitrate d'argent; Formation d'un précipité blanc.;

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

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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

Tableau de 3 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 3 lignes ;Ligne 1 : Document 1 •La composition de l'air en volume; Ce document donne le pourcentage en volume des principaux gaz constituant l'air.Note les valeurs pour répondre à la question 1.; Ligne 2 : Document 2 •Banque de données; Ce document présente l'ensemble du matériel à utiliser pour effectuer un test. Il présente également trois tests d'identification.Regarde d'abord le rappel des tests pour choisir ensuite le matériel que tu proposeras d'utiliser.; Ligne 3 : Document 3 •Le détecteur de l'ozone; Ce document est un schéma illustrant le procédé utilisé par le LIDAR pour détecter l'ozone de l'air.Lis et résume l'explication du procédé donnée en introduction de la question 5, et suis les rayons du laser dans le schéma pour y répondre.;

Répondre aux questions

3.

sci3_1909_07_00C_08

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 :

Tableau de 2 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 2 lignes ;Ligne 1 : ; ; Ligne 2 : – verser l'eau de chaux dans un bécher ;– allumer la bougie ;– relier l'entonnoir à la seringue à l'aide du tuyau souple ;– aspirer le gaz qui se forme lors de la combustion au-dessus de la bougie.; – enlever l'entonnoir et vider le gaz à l'intérieur de la seringue dans le bécher contenant l'eau de chaux à l'aide du tuyau ;– l'eau de chaux se trouble en présence du dioxyde de carbone.;

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 :

C=2dt.

D'où 2d = C × t.

Et d = C × t2 = 300 000 × × 1062 = 0,45 km = 450 m.

La distance entre le LIDAR et la zone analysée est de 450 mètres.

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