Le 18/10/2018

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Le 18/10/2018 Devoir n°1 Spécialité (2h) - Calculatrice autorisée Page : 1 / 4

I. La Bretagne submergée (10 points)

Document 1

L’eau va mal. Alors que ses rivières fournissent aux bretons 80 % de l’eau des robinets, on a méprisé l’eau, on l’a souillée… Les cris d’alarme lancés dès le début des années 1970 par Eau & Rivières n’ont pas été

entendus et aujourd’hui, c’est l’ensemble de la région qui se trouve classée en « zone vulnérable aux nitrates d’origine agricole », en application d’une directive européenne de 1991. Même si en 2007, au-delà du seul cas de la Bretagne, plus de la moitié du territoire

métropolitain est ainsi officiellement déclarée polluée par les nitrates d’origine agricole, la Bretagne reste la

première région à avoir été intégralement classée comme telle... sans aucune réduction du territoire pollué depuis lors.

Entre 1970 et la fin des années 1990, la pollution moyenne des rivières de Bretagne a été multipliée par 7. Cette pollution par les nitrates n’a pas que des conséquences sanitaires. Elle perturbe également l’équilibre des

écosystèmes sur le littoral (marées vertes), dans une région où le tourisme et les activités maritimes constituent des secteurs clé de l’économie.

D’après l’association « Eau & Rivières » Document 2 :

Document 3 :

 Couples d’oxydoréduction intervenant :

Cu

/ Cu

; NO

(aq)

/ NO

 Masses molaires atomiques : M(N) = 14,0 g.mol^-1 ; M(O) = 16,0 g.mol^-1

 Une eau est potable si sa concentration massique en ion nitrate est inférieure à 50 mg.L^-1.

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Document 4 : Principe de dosage des ions nitrates

Une des méthodes possibles de dosage utilise la spectrophotométrie, mais l’ion nitrate ne colorant pas les solutions aqueuses, on procède indirectement et en plusieurs étapes.

Etape 1 : Réduction des ions nitrates NO3- en monoxyde d’azote NO(g) par le cuivre Cu(s) placé en excès (oxydé en ions Cu²⁺(aq)) selon le bilan :

3Cu + 2NO

+ 8 H

 3Cu

+ 2NO + 4H

O

Etape 2 : Complexation des ions Cu ²⁺ formés par l’ammoniac NH3 ; on forme ainsi le complexe « bleu céleste » Cu(NH3)42+ selon le bilan :

Cu

+ 4NH

 Cu(NH

)

Etape 3 : Dosage par étalonnage du complexe formé.

Aide pour la réaction (1) :

n(Cu

)

3 = n(NO

(aq)

)

2

Document 5 : Mode opératoire

Réduction des ions nitrate par le cuivre métallique

 Dans un ballon, on introduit précisément 50,0 mL d’eau polluée à étudier, quelques copeaux de cuivre et 5 mL d’acide sulfurique concentré.

 A la fin de la réaction on élimine les copeaux de cuivre restant puis on transvase le contenu du ballon dans un erlenmeyer. Après refroidissement, on place une solution d’ammoniac concentré.

 Tous les ions Cu²⁺ réagissent dans cette étape où l’ammoniac est en excès. Cu²⁺ + 4 NH3  Cu(NH3)42+

 On transfère enfin le tout dans une fiole jaugée de 100,0 mL et on complète jusqu’au trait de jauge avec de l’eau distillée. Soit Seau la solution obtenue.

Dosage spectrophotométrique

 On dispose d’une solution constituée d’un mélange eau / ammoniac concentré. On dissout une masse de 250 mg de sulfate de cuivre (II) pour obtenir une solution mère S0. On réalise alors une gamme étalon, constituée des solutions S1, S2 et S3 obtenues par dilution de la solution S0 dans le mélange eau/ammoniac.

 A l’aide d’un spectrophotomètre calibré et réglé sur 620 nm, on mesure l’absorbance de chacune des solutions S0 à S3.

Solution S0 S1 S2 S3

C (mmol/L) 0 5,20 10,5 15,7 20,9

A 0 0,270 0,560 0,872 1,178

 On mesure également l’absorbance de la solution Seau obtenue à partir de l’eau polluée. Aeau = 0,196

1. Questions préliminaires

1.1. Expliquer brièvement l’origine des marées vertes observées en Bretagne.

1.2. Expliquer de façon synthétique la stratégie mise en œuvre dans ce protocole opératoire, on expliquera notamment le choix de la longueur d’onde de travail.

2. Exploitation des résultats expérimentaux

2.1. Tracer, page suivante, la courbe A = f(C), où C désigne la concentration en ions cuivre complexés et A l’absorbance.

2.2. Déterminer la concentration molaire [Cu(NH3)42+] en ion cuivre complexé Cu(NH3)42+dans la solution préparée Seau puis calculer la quantité de matière n(Cu(NH3)42+) d'ions Cu(NH3)42+ présents dans la fiole de 100 mL. Déduire la quantité de matière n(Cu²⁺(aq)) d'ions Cu²⁺(aq) obtenus dans la réaction 1. Justifier.

2.3. A partir de la réaction de réduction des ions nitrate par le cuivre, montrer que l'on peut lier la quantité de matière n(NO3-

(aq)) d'ions nitrate présents dans l'eau analysée à la quantité de matière d'ions Cu²⁺(aq) calculée à la question précédente.

2.4. Calculer n(NO3-

(aq)), la quantité de matière présente au départ dans les 5mL ; déduire ensuite la concentration molaire [NO3-

(aq)] en ions nitrate de l'eau polluée.

2.5. Conclure quant à la potabilité de l'échantillon d'eau polluée.

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II. Une micropile à combustible (10 points)

 La source d’énergie utilisée dans la plupart des téléphones portables est une batterie d’accumulateurs qu’il est nécessaire de recharger régulièrement. Cette opération peut prendre du temps.

 La photographie ci-contre présente une batterie utilisée dans un téléphone portable. Elle a une hauteur de 62 mm, une largeur de 50 mm et une épaisseur de 5,0 mm.

 Cette batterie assure environ deux jours d’autonomie à un téléphone portable récent.

 Le tableau ci-dessous présente quelques énergies volumiques de batteries usuelles :

Batterie Cd-Ni Li-Ion

Énergie volumique (Wh/cm³) 0,08  0,15 0,25  0,60

 Depuis le milieu des années 2000, des chercheurs développent une nouvelle source d’énergie qui pourrait être utilisée dans les téléphones portables : la micropile DMFC (Direct Méthanol Fuel Cell). Cette pile à combustible de dimensions très réduites, utilise directement du méthanol liquide, de l’eau et le dioxygène de l’air pour produire son énergie.

 La photographie ci-contre présente une puce de silicium comportant des micro- canaux à travers lesquels circule le méthanol dans la micropile à combustible. Le réservoir de méthanol n’est pas photographié ici.

Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (CNRS / Université Lille-I O

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La pile DMFC

 La pile à combustible DMFC utilise du méthanol liquide pour produire de l’énergie. L’énergie volumique du méthanol, plus importante que celle des batteries usuelles utilisées dans les téléphones portables, en fait un combustible intéressant. Dans ce type de pile, le méthanol est stocké dans un réservoir qui peut être rechargé rapidement.

 Les équations des réactions aux électrodes s’écrivent :

 A l’anode :

CH3OH (ℓ) + H2O (ℓ)  CO2 (g) + 6 H⁺ (aq) + 6 e^-

 A la cathode : 1

2 O2(g) + 2 H⁺(aq) + 2 e^-  H2O(l)

 La tension de fonctionnement de la pile DMFC est de 0,50 V.

 Compte-tenu de toutes les contraintes techniques liées au fonctionnement de cette pile, on considère que son rendement est de l’ordre de 40%.

1. Question préalable

 Vérifier que l’énergie volumique de la batterie de téléphone, photographiée en introduction, est en accord avec les données énergétiques des batteries usuelles.

2. Problème

 Dans l’hypothèse de l’utilisation d’une micropile DMFC, calculer la taille du réservoir de méthanol assurant la même autonomie au téléphone qu’une batterie Li-Ion et exercer un regard critique sur la valeur trouvée.

Données

 Masses molaires atomiques : M(C) = 12,0 g.mol^-1 ; M(H) = 1,00 g.mol^-1 : M(O) = 16,0 g.mol^-1

 Charge transportée par une mole d’électrons : 96,5 × 10³ C

 Extrait de l’étiquette d’une bouteille de méthanol :

METHANOL

Formule : ... CH3OH

T° Ebullition : ... 65°C

T° Fusion : ... - 98°C

Masse volumique : ... 0,792 g.cm^-3

H225  Liquide et vapeurs très inflammables.

H301  Toxique en cas d’ingestion.

H311  Toxique par contact cutané.

H331  Toxique par inhalation.

H370  Risque avéré d’effets graves pour les organes.

 L’énergie E fournie par une batterie ou une pile est égale au produit de la charge électrique Q qu’elle peut fournir par la tension électrique U sous laquelle cette charge est débitée.

E = Q × U avec E en joule ; Q en coulomb ; U en volt

 L’énergie se mesure habituellement en wattheure (Wh) mais l’unité officielle (S.I.) est le joule : 1 Wh = 3600 J

Circuit extérieur

CH3OH + H2O

CO2

O2

H2O

e^– e^–

H⁺

membrane

anode cathode