Une piscine naturelle chauffée

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Economiser les ressources et respecter l'environnement
Type : Exercice | Année : 2015 | Académie : Moyen-Orient
Corpus Corpus 1
Une piscine naturelle chauffée

Économiser les ressources et respecter l’environnement

pchT_1505_09_01C

Agir

35

Liban • Mai 2015

Exercice 2 • 8 points


 

Les piscines naturelles ont une structure de construction habituelle mais, contrairement aux piscines classiques, l’eau ne subit pas de traitement chimique. Le système de filtration est assuré par une zone réservée à la végétation, dont la surface est au moins égale à la zone de baignade pour un meilleur équilibre écologique.

1. Étude du fluide caloporteur d’un chauffe-eau solaire

La baignade est plus confortable si l’eau de la piscine est chauffée. L’une des solutions possibles est d’installer un chauffe-eau solaire, système qui permet de produire de l’eau chaude grâce à l’énergie solaire.

Le fluide caloporteur qui circule dans le capteur solaire est un mélange d’eau et de mono-propylène-glycol, c’est un antigel, dont le nom en nomenclature officielle est propane-1,2-diol et dont la formule topologique est la suivante :


 
Schéma de fonctionnement du chauffe-eau solaire

 

1 Quel est le mode principal de transfert thermique mis en jeu entre le capteur solaire ➀ et le milieu extérieur ?

En déduire la fonction de la chaudière d’appoint.

2 Quel est l’intérêt pour le chauffe-eau solaire d’intégrer du mono-propylène-glycol dans la composition du fluide caloporteur ?

3 Justifier le nom donné, en nomenclature officielle, au mono-&shy propylène-glycol.

4 Justifier le fait que la molécule de mono-propylène-glycol possède plusieurs stéréoisomères.

Donner la représentation de Cram de ces stéréoisomères et préciser le type de stéréoisomérie qui les lie. Ces stéréoisomères sont-ils chiraux ?

Comment réaliser un mélange racémique ?

5 Déterminer le nombre de signaux que cette molécule présenterait en spectroscopie RMN du proton, ainsi que la multiplicité de ces signaux.

On admettra que les protons des groupes &ndash OH donnent le même signal et ne se couplent pas avec les autres protons de la molécule.

2. Traitement de l’eau de la piscine

La technique de traitement de l’eau de piscine naturelle utilise les bactéries présentes dans le système racinaire des plantes pour épurer l’eau  il s’agit d’une phyto-épuration. Les espèces végétales sont ainsi soigneusement sélectionnées pour absorber des polluants tels que les ions nitrate et phosphate. Une pompe de circulation assure le déplacement de l’eau à travers la zone de filtration naturelle.

Schéma d’un système de phyto-épuration

 

On se propose de tester l’efficacité d’un système de phyto-épuration de ce type, en réalisant un dosage de l’azote total de la matière organique contenue dans les eaux épurées à la sortie du dernier bassin.

On prélève un échantillon d’eau de volume Vech= 20,0 mL à la sortie du dernier bassin et on met en œuvre le protocole de dosage de l’azote total par la méthode de Kjehldal. Le volume d’acide chlorhydrique versé à l’équivalence est VE= 10,3 mL.

Protocole simplifié de dosage de l’azote total Kjeldahl

  • Minéralisation : La transformation chimique se fait à une température de 421 &deg C en présence de sulfate de cuivre avec un excès d’acide sulfurique. L’azote contenu dans la matière organique test dégradé sous forme d’ions ammonium NH4+(aq).
  • Distillation : Un excès de soude est introduit dans le mélange obtenu après minéralisation pour amener le pH de la solution à 12 et transformer les ions ammonium NH4+(aq) en molécules d’ammoniac NH3(aq), qui sont entraînées par la vapeur d’eau lors d’une distillation.
  • Titrage : Le titrage de l’ammoniac NH3(aq) présent dans le distillat est réalisé par une solution d’acide chlorhydrique (H3O+(aq)+ Cl&ndash (aq)), de concentration molaire Cac égale à 2,0 &times 10&ndash 3 mol &middot L&ndash 1, jusqu’au virage d’un indicateur coloré bien choisi.

Données

  • Numéros et masses molaires atomiques de quelques atomes :
 

H

N

O

Z

1

7

8

M (g &middot mol&ndash 1)

1,0

14

16

 
  • pKa de quelques couples acido-basiques à 25 &deg C :

H2O(l)/HO&ndash (aq) : 14  H3O+(aq)/H2O(l) : 0  NH4+(aq)/NH3(aq) : 9,2.

  • Zones de virage de quelques indicateurs colorés :
 

Indicateur

pKa

Couleur acide

Zone de virage

Couleur

basique

Orange de méthyle

3,7

rouge

3,2 &ndash 4,4

jaune

Vert de bromocrésol

4,4

jaune

3,8 &ndash 5,4

bleu

Rouge de méthyle

5,1

jaune

4,8 &ndash 6,0

rouge

Bleu de bromothymol

7,0

jaune

6,0 &ndash 7,6

bleu

Rouge de phénol

7,9

jaune

6,8 &ndash 8,4

rouge

Phénolphtaléine

9,4

incolore

8,2 &ndash 10,0

violet

 
  • Normes européennes de rejets pour les eaux résiduaires :
  • matière en suspension (MES)  35 mg &middot L&ndash 1
  • demande chimique en oxygène (DCO)  125 mg d’oxygène dissous 
  • demande biologique en oxygène sous 5 jours (DBO5)  25 mg d’oxygène dissous au bout de 5 jours 
  • l’azote total Kjeldahl (NtK) : masse totale d’azote N  20 mg &middot L&ndash 1.

D’après le sitewww.recycleau.fr

1 Quelle propriété les transformations chimiques mises en jeu dans la méthode de Kjeldhal doivent-elles toutes avoir pour que l’on puisse doser l’intégralité de l’azote présent dans l’échantillon ?

2 Justifier le fait que NH4+(aq) et NH3(aq) forment un couple acide-base et préciser quelle est la forme acide et quelle est la forme basique.

3 Lors de l’étape de distillation du protocole simplifié de dosage de l’azote total Kjeldahl, pourquoi un pH égal à 8 pourrait-il ne pas convenir ?

4 Le suivi pH-métrique du titrage de l’ammoniac par l’acide chlorhydrique, dans des conditions analogues, conduit au tracé du graphe représenté ci-après.


 

1. Quelle est l’espèce majoritaire dans le bécher au début du titrage ?

Même question à la fin du titrage.

2. En déduire l’équation de la réaction chimique support du titrage.

3. Citer un indicateur coloré à utiliser dans la méthode de Kjeldahl.

Justifier.

5 L’eau résiduaire est-elle conforme aux normes européennes en ce qui concerne l’azote total Kjeldahl ?

Le candidat est évalué sur ses capacités à concevoir et à mettre en œuvre une démarche de résolution.

Les clés du sujet

Notions et compétences en jeu

Réaction chimique par échange de proton • Respecter l’environnement.

Conseils du correcteur

Partie 1

2 Trouvez dans l’énoncé la (ou les) particularité(s) du mono-propylène-glycol.

4 Cherchez les atomes de carbone asymétriques dans la molécule. S’il y en a un, il y aura 2 énantiomères.

5 Pour prévoir le spectre RMN :

1. déterminez les groupes de proton équivalents pour trouver le nombre de signaux du spectre 

2. déterminez les protons voisins de chaque groupe pour trouver la multiplicité des signaux.

Partie 2

1 Dans les connaissances de cours, il n’y a pas beaucoup de particularités pour une réaction chimique : totale ou limitée, lente ou rapide. Trouvez laquelle de ces particularités est ici obligatoire pour que la méthode de Kjeldhal fonctionne.

2 Un acide est une espèce chimique capable de donner un ion H+.

5 Déterminez la quantité d’ammoniac titrée. Déduisez la quantité d’azote totale et enfin calculez la masse d’azote présente dans l’échantillon. Comparez la concentration obtenue à celle des normes européennes.