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S

I. Dosage colorimétrique

• L’Artémia est le nom scientifique d’un petit crustacé qui possède la particularité de pouvoir vivre dans des milieux très salés tels que certains lacs et marais salants. Pour se développer les Artémia ont besoin de vivre dans un milieu marin dont la teneur (ou la concentration massique) moyenne en ions chlorure Cℓ^-_(aq) est supérieure à 30 g.L^-1. Dans ces conditions, leur développement n’est pas compromis car les prédateurs aquatiques ne supportent pas des conditions salines aussi élevées.

• Avant d’implanter un élevage d’Artémia dans des marais salants du Sud de la France, on se propose de déterminer la concentration en ions chlorure d’un prélèvement d’eau d’un marais de la zone choisie. Cette eau contient exclusivement des ions sodium et des ions chlorure.

• La méthode utilisée permet de doser les ions chlorure par précipitation avec les ions argent Ag⁺(aq). La réaction de précipitation Ag⁺(aq) + Cℓ^-_{(aq)→ AgC}ℓ_(s) peut être considérée comme totale. Le chlorure d’argent formé est un solide blanc.

• L’indicateur coloré de fin de réaction est préparé en dissolvant quelques grains de dichlorofluorescéine dans un mélange eau-éthanol (méthode de Fajans). La solution obtenue a une couleur jaune. La présence d’ions sodium Na⁺(aq), chlorure Cℓ^-_(aq) ou nitrate (NO3

-

(aq)) ne modifie pas la couleur de la dichlorofluorescéine. Par contre, en présence d’ions Ag⁺(aq), la solution de dichlorofluorescéine prend une couleur rose-rouge.

1. Illustration du fonctionnement de l’indicateur coloré

• On prépare deux tubes à essais, numérotés 1 et 2. Dans chaque tube, on mélange 2,0 mL de solution de chlorure de sodium (Na⁺(aq) + Cℓ^-_(aq)) de concentration 0,10 mol.L^-1 et quelques gouttes de solution de l’indicateur coloré préparé avec la dichlorofluorescéine.

Dans le tube n°1, on ajoute 0,5 mL de solution de nitrate d’argent (Ag⁺(aq) + NO3 -

(aq)) de concentration 0,10 mol.L^-1.

Dans le tube n°2, on ajoute 2,2 mL de solution de nitrate d’argent de concentration 0,10 mol.L^-1. 1.1. Quel est le réactif en excès dans chacun des tubes ? Justifier.

1.2. Quel est l’aspect et la coloration du contenu de chaque tube ? 2. Principe du dosage

• On veut doser un volume V1 d’une solution S1 d’ions chlorure par une solution S2 de nitrate d’argent de concentration C2.

2.1. Faire un schéma annoté du dispositif de titrage.

2.2. Expliquer brièvement comment déterminer l’équivalence.

Rappel : l’équivalence a lieu quand les réactifs sont dans les conditions stœchiométriques.

3. Préparation de la solution à doser

• En septembre 2003, après un été caniculaire, on a prélevé un échantillon d’eau dans un marais salant, de la zone prévue pour implanter l’élevage d’Artémia. On dilue 10 fois cette eau pour obtenir la solution S1 à doser.

3.1. On souhaite obtenir 50 mL de la solution S1. Quel volume d’eau doit-on prélever ?

3.2. Désigner et nommer la verrerie à utiliser pour effectuer cette dilution. Expliquer brièvement le mode opératoire.

4. Exploitation du dosage

Donnée : masse molaire atomique du chlore : M(Cℓ) = 35,5 g.mol^-1

• On réalise le dosage d’un volume V1 = 10,0 mL de solution S1 par une solution S2 de nitrate d’argent de concentration C2 = 1,00 × 10^-1 mol.L^-1. Le volume de nitrate d’argent versé à l’équivalence est : VE = 15,2 mL.

4.1. Déterminer la concentration molaire des ions chlorure dans la solution S1. 4.2. En déduire la concentration molaire des ions chlorure dans l’eau du marais.

4.3. Cette eau est-elle favorable au développement des Artémia ?

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II. Pile à combustible

1. Questions préliminaires sur la pile à combustible schématisée page 4 1.1. Quelle est la nature des porteurs de charges à l’extérieur de la pile ?

1.2. Légender le schéma de la pile, page 4, en indiquant le sens conventionnel de circulation du courant électrique I et le sens de circulation des porteurs de charges à l’extérieur de la pile (en ajoutant des flèches bien orientées).

• Données : Les couples d’oxydoréduction mis en jeu dans la réaction sont : H⁺(aq)/H2(g) et O2(g)/H2O(l). 1.3. Écrire les demi-équations électroniques pour chaque couple mis en jeu, quand la pile débite.

1.4. En déduire l’équation globale de la réaction modélisant la transformation ayant lieu dans la cellule de réaction.

1.5. Préciser le nom de l’électrode où se produit la réduction. Cette électrode est-elle le pôle positif ou négatif de la pile ?

1.6. Le platine inséré dans les deux électrodes joue le rôle de catalyseur. Définir un catalyseur.

2. Chaîne énergétique et triporteur Document 1

• Pour fournir l’électricité aux 230 habitants de l’île d’Utsira (Norvège), un système énergétique d’un nouveau type est testé. Il est constitué de deux éoliennes couplées avec un électrolyseur associé à une pile à

combustible H2/O2 (air). Le surplus d’énergie est stocké sous forme de dihydrogène non loin des éoliennes, puis reconverti en électricité lorsque le vent est insuffisant.

• L’électrolyseur ne peut pas être utilisé avec de l’eau de mer. Il faut préalablement la dessaler. Son rendement est de 70 %.

Document 2

• D’après un article de Julien Bouissou, in Le Monde du 21 janvier 2012

« Les premiers triporteurs à hydrogène du monde ont parcouru leurs premiers kilomètres […]. Dans les pays d’Asie comme la Thaïlande, les Philippines ou l’Inde, le triporteur est un mode de transport très répandu. Mais il contribue à l’augmentation de la pollution atmosphérique.

Les triporteurs [à hydrogène] peuvent parcourir 80 km en ne consommant qu’un kilogramme de dihydrogène, sans émission polluante. Dans une ville comme Dehli, l’une des plus polluées d’Asie, une telle innovation pourrait vite devenir une révolution »

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Données

• Dans les conditions habituelles d’utilisation, les couples Ox/Red à considérer sont : H2O/H2 et O2/H2O

• La réaction H2 (g) + 1

2 O2 (g) → H2O(g) est une réaction exothermique qui libère 286 kJ par mole de H2

consommé.

• La combustion complète de l’heptane C7H16 (un des constituants de l’essence) libère 4 854 kJ par mole de C7H16 consommé.

• La combustion complète avec le dioxygène forme du dioxyde de carbone et de l’eau.

• Masses molaires moléculaires : M(C) = 12,0 g.mol^-1 ; M(H) = 1,0 g.mol^-1 ; M(O) = 16,0 g.mol^-1 Questions

2.1. D’après les documents 1 et 2 présentés, quels sont les avantages et les inconvénients de l’utilisation du dihydrogène comme source d’énergie ?

2.2. Calculer la quantité d’énergie produite par la réaction entre le dioxygène de l’air et le dihydrogène lorsqu’un triporteur à hydrogène parcourt la distance de 1 km.

2.3. Quelle quantité d’heptane doit-on brûler pour produire la même quantité d’énergie qu’à la question précédente ? Quelle est alors la masse de dioxyde de carbone produite ?

Vous pourrez utiliser un tableau d’avancement pour répondre à cette question.

3. Problème : la pile Génépac

Document 3

Faire le tour de la Méditerranée à bord d’un voilier dont le moteur auxiliaire est sans rejet direct de gaz carbonique, tel est le défi du projet « Zéro CO2 ». Présenté pour la première fois en Europe, au salon nautique de Paris en décembre 2009, un voilier de 12 m sera équipé d’un moteur électrique auxiliaire alimenté par une pile à combustible à hydrogène.

Ce projet doit permettre de tester un bateau aux énergies renouvelables et au dihydrogène pour promouvoir un littoral économe et respectueux de l’environnement. L’industrie automobile a

développé la pile GÉNÉPAC : c’est la pile à combustible choisie pour le projet « Zéro CO2 ».

D’après les sites Internet : http://www.zeroCO2sailing.com, http://www.cea.fr, http://www.psa-peugeot-citroen.com.

Document 4

Le principe de la pile à combustible est le suivant : une réaction électrochimique contrôlée, entre du dihydrogène et le dioxygène de l’air, produit simultanément de l’électricité, de l’eau et de la chaleur.

Cette réaction s’opère au sein d’une cellule élémentaire composée de deux électrodes, de forme ondulée, séparées par un électrolyte (figure page 4).

L’électrolyte est constitué d’une membrane polymère échangeuse de protons H⁺. Cette pile est un empilement de 170 cellules élémentaires identiques.

Le dihydrogène est stocké à bord sous forme de gaz comprimé à la pression de 700 bars ; le volume total du réservoir est V = 15,0 L.

Lorsque le réservoir de dihydrogène est plein, la masse du dihydrogène disponible pour l’ensemble des 170 cellules élémentaires est de 3,0 kg.

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Document 5 : Données

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

Charge électrique transportée par une mole d’électrons : 1 faraday = 1 F = NA× e =96500 C/mol Couples d’oxydoréduction mis en jeu dans la réaction : H⁺(aq)/H2(g) et O2(g)/H2O(l).

La quantité d’électricité Q transportée par un courant constant d’intensité I pendant la durée ∆t est : Q =I ×∆t.

Les 170 cellules élémentaires constituant la pile sont montées électriquement en série.

Dans certaines conditions d’utilisation, on peut considérer que le courant circulant dans les cellules élémentaires est constant, d’intensité I = 120 A.

II. Pile à combustible

1. Questions préliminaires sur la pile schématisée ci-dessous

Problématique : Montrer, après avoir établi le bilan de la réaction de fonctionnement, que la pile GÉNÉPAC permet de générer de l’électricité proprement et efficacement, mais que la durée de fonctionnement de cette pile est limitée à moins de 4 h.