Une piscine naturelle chauffée

Le capteur reçoit de l’énergie principalement sous forme de rayonnement. Ce rayonnement étant lié à l’ensoleillement, la chaudière d’appoint peut servir la nuit et les jours peu ou pas assez ensoleillés. Elle fournit alors l’énergie nécessaire pour chauffer l’eau du ballon de stockage.

Le mono-propylène-glycol est un antigel (d’après l’énoncé). Cela signifie qu’il empêche le fluide caloporteur de geler et donc de se solidifier lorsque la température est trop basse (jusqu’à une certaine limite évidemment). En effet, si le fluide se solidifie, il ne peut plus permettre de transfert thermique et cela pourrait endommager les canalisations dans lesquelles il circule.

On remarque dans la formule topologique du mono-propylène-glycol deux groupes hydroxyle, caractéristiques de la famille des alcools d’où la terminaison en –ol du nom officiel. Étant donné qu’il y a deux groupes hydroxyle, on a indiqué « –diol ». Les numéros indiquent les positions de ces deux groupes hydroxyle. Enfin, la chaîne carbonée possède 3 atomes de carbone donc c’est bien le préfixe prop- qui convient.

Cette molécule ne possède qu’un seul atome de carbone asymétrique (identifié par un astérisque rouge) et par conséquent il en existe deux stéréoisomères possibles :

Ces stéréoisomères sont des énantiomères puisqu’ils sont images l’un de l’autre dans un miroir. Comme ils ne se superposent pas, ce sont deux molécules chirales : non superposable à leur image dans un miroir.

Pour obtenir un mélange racémique, il faudrait avoir un mélange équimolaire de ces deux énantiomères, c’est-à-dire composé à 50 % de chacun des deux.

Représentons la molécule en visualisant tous les atomes d’hydrogène. L’énoncé nous indique que les deux atomes d’hydrogène des groupes hydroxyle forment un seul signal. Alors comme ils ne possèdent pas de proton voisin, ce signal est un singulet.

Hormis ces deux atomes, nous avons trois autres groupes de protons équivalents (signalés en rouge, bleu et vert). Les atomes d’hydrogène du groupe CH₃ (en rouge) sont équivalents et possèdent un seul proton voisin (l’hydrogène « bleu »). D’après la règle des (n+1)-uplets, Ils forment un doublet.

L’atome d’hydrogène du groupe CH (en bleu) possède cinq protons voisins (les atomes d’hydrogène « bleu » et « vert »). D’après la règle des (n+1)-uplets, ils forment un sextuplet.

Enfin, les atomes d’hydrogène du groupe CH₂ (en vert) sont équivalents et possèdent un seul proton voisin (l’hydrogène « bleu »). D’après la règle des (n+1)-uplets, ils forment un doublet.

Nous avons donc quatre signaux différents dans le spectre RMN du mono-propylène-glycol.

Les transformations chimiques du processus doivent toutes être totales. En effet, si ce n’était pas le cas, certaines molécules contenant de l’azote n’aurait pas été transformées en ammoniac et donc la quantité d’ammoniac ne serait pas celle de l’azote initial. On ne pourrait alors pas déterminer cette quantité d’azote total (avant ces transformations).

peut donner un proton , il se transforme alors en . À l’inverse, peut accepter un proton , il se transforme alors en . Ces deux espèces sont donc des acide et base conjugués. est la forme basique et la forme acide.

Lors de l’étape de distillation, on souhaite entraîner les molécules d’ammoniac à l’aide des molécules d’eau pour les titrer ensuite avec un acide fort. Si le pH n’est que de 8, alors l’espèce prédominante du couple qui nous intéresse est . est un acide et ne peut donc pas être titré par un autre acide. Il faut forcément un pH clairement au-dessus du pK_a du couple pour que ce soit l’ammoniac réellement prédominant.

Le pH en début de titrage est entre 10 et 11 donc au-dessus de 9,2, le pK_a du couple , donc c’est l’espèce basique qui prédomine. À la fin du titrage, le pH est d’environ 2, donc en-dessous du pK_a, c’est la forme acide qui prédomine.

La zone de virage d’un indicateur coloré doit être comprise dans le saut de pH du titrage et doit contenir le pH à l’équivalence. D’après le premier critère, il n’y a que deux indicateurs colorés qui correspondent : le rouge de méthyle et le bleu de bromothymol. Je choisis donc ici le rouge de méthyle car le pH à l’équivalence semble plutôt inférieur à 6.

D’après les normes européennes données, il faut que la masse totale d’azote soit inférieure à 20 mg/L. Déterminons la masse d’azote totale contenue dans l’échantillon testé. La réaction de titrage est écrite dans la réponse à la question 4 2 et nous pouvons en déduire la relation suivante :

n_{après distillation}(NH₃) =n_versé(H₃O⁺)

De plus les molécules d’ammoniac ont été formées à partir des ions ammonium avec des coefficients stœchiométriques identiques donc on a aussi :

n_{après distillation} (NH₃) =n_minéralisé(NH₄⁺)

car les ions ammonium sont les réactifs en défaut.

De la même façon, les ions ammonium proviennent des atomes d’azote contenus dans la matière organique donc :

n_total(N) =n_minéralisé(NH₄⁺)

car l’azote était le réactif limitant.

On a donc n_{après distillation} (NH₃) =n_total(N) =n_versé(H₃O⁺) ; d’où :

n_total(N) =C_ac × V_E = 2,0 × 10^–3 × 10,3 × 10^–3= 2,1 × 10^–5 mol.

Cette quantité correspond à une masse :

m_total(N) =n_total(N) × M(N) = 2,9 × 10^–4 g = 0,29 mg.

Enfin cette masse est présente dans un échantillon d’eau de 20,0 mL, d’où la concentration massique en azote de cette eau :

C_m =1,4×10^–2 g/L.

La norme étant un maximum de 20 mg/L, cet échantillon est en dessous (14 mg/L) donc l’eau résiduaire (filtrée par les bassins) est conforme à la norme européenne concernant l’azote total.