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-­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 –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 °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(aq)), de concentration molaire Cac égale à 2,0 × 10–3 mol · L–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 · mol–1)

1,0

14

16

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

H2O(l)/HO(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 – 4,4

jaune

Vert de bromocrésol

4,4

jaune

3,8 – 5,4

bleu

Rouge de méthyle

5,1

jaune

4,8 – 6,0

rouge

Bleu de bromothymol

7,0

jaune

6,0 – 7,6

bleu

Rouge de phénol

7,9

jaune

6,8 – 8,4

rouge

Phénolphtaléine

9,4

incolore

8,2 – 10,0

violet

 
  • Normes européennes de rejets pour les eaux résiduaires :
  • matière en suspension (MES) < 35 mg · L–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 · L–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.

Corrigé
Corrigé

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

1 Identifier un mode de transfert thermique

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.

2 Tirer des informations des documents

Remarque

Pour répondre à cette question, il faut bien connaître son cours, et avoir repéré dans l’énoncé que le mono-propylène-glycol est un antigel…

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.

3 Connaître la nomenclature de chimie organique

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.

4 Utiliser la représentation de Cram


 

Notez bien

Un carbone asymétrique est un atome de carbone lié à quatre atomes ou groupes d’atomes différents.

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.

5 Prévoir et décrire un spectre RMN à partir de la molécule

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.

2. Traitement de l’eau de la piscine

1 Comprendre un protocole d’opération chimique

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).

2 Connaître la définition d’un acide et d’une base selon Bronsted

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.

3 Justifier le choix d’un pH de réaction

Conseil

Vous pouvez utiliser un diagramme de prédominance

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 pKa du couple pour que ce soit l’ammoniac réellement prédominant.

41. Déterminer l’espèce prédominante dans un mélange donné

Le pH en début de titrage est entre 10 et 11 donc au-dessus de 9,2, le pKa 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 pKa, c’est la forme acide qui prédomine.

2. Écrire l’équation d’une réaction de titrage

Gagnez des points !

Une flèche simple car c’est une réaction de titrage donc une réaction totale.

3. Choisir un indicateur coloré

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.

5 Déterminer une quantité à partir d’un titrage

Info

Ici il s’agit non pas d’une masse comme l’indique le texte mais d’une concentration massique (en mg/L).

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 42 et nous pouvons en déduire la relation suivante :

naprès distillation(NH3) =nversé(H3O+)

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

naprès distillation (NH3) =nminéralisé(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 :

ntotal(N) =nminéralisé(NH4+)

car l’azote était le réactif limitant.

On a donc naprès distillation (NH3) =ntotal(N) =nversé(H3O+) ; d’où :

ntotal(N) =Cac × VE= 2,0 × 10–3 × 10,3 × 10–3= 2,1 × 10–5 mol.

Cette quantité correspond à une masse :

mtotal(N) =ntotal(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 :

Cm=1,4×10–2g/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.