D'après Bac S 2013 Nouvelle Calédonie Mars 2014 EXERCICE I LES FOURMIS DETIENNENT-ELLES LA CLÉ DU CARBURANT DU FUTUR? ( 6 points)

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1 D'après Bac S 2013 Nouvelle Calédonie Mars 2014 EXERCICE I LES FOURMIS DETIENNENT-ELLES LA CLÉ DU CARBURANT DU FUTUR? ( 6 points) D après le communiqué de presse de l École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) du 30 novembre 2010 (Journaliste : Lionel Pousaz) L hydrogène est souvent désigné comme le futur remplaçant des carburants fossiles. Il est facilement produit à partir d énergie électrique. Écologique et performant, il n en présente pas moins de nombreux inconvénients. Extrêmement inflammable, il doit être stocké dans d encombrantes bouteilles pressurisées. Autant d obstacles à son utilisation, que les scientifiques de l EPFL et leurs confrères du Leibniz-Institut für Katalyse ont levés, en stockant l hydrogène sous la forme d acide formique. Grâce à un catalyseur et au CO 2 présent dans l atmosphère, les scientifiques ont transformé l hydrogène en acide formique. Plutôt qu une lourde bouteille de fonte remplie d hydrogène sous pression, ils obtiennent ainsi une substance très peu inflammable et liquide à température ambiante. Une solution pour accumuler l énergie des sources renouvelables comme le solaire ou l éolien, ou alimenter la voiture de demain. En novembre 2010, seconde étape. Les laboratoires sont parvenus à provoquer le phénomène inverse : par le biais d une catalyse, l acide formique retourne de manière totale à l état de CO 2 et d hydrogène, lequel peut ensuite être transformé en énergie électrique. Un prototype fonctionnel, peu encombrant et d une puissance de deux kilowatts est d ores et déjà au point. Stocker les énergies renouvelables «Imaginez par exemple que vous ayez des cellules solaires sur votre toit, explique Gabor Laurenczy, professeur au Laboratoire de chimie organométallique et médicinale et chef de Groupe de catalyse pour l énergie et l environnement. Par mauvais temps ou pendant la nuit, votre pile à combustible (H 2, O 2 ) vous restitue le trop-plein d énergie accumulé quand le soleil brillait.» Dans une telle configuration, le procédé permet de restituer plus de 60% de l énergie électrique de départ. Cette solution est extrêmement sure. L acide formique libère de manière continue de très petites quantités d hydrogène, «juste ce dont vous avez besoin sur le moment pour votre consommation électrique», relève le chercheur. Autre avantage par rapport au stockage conventionnel, le procédé permet de stocker presque le double d énergie à volume égal. En effet, un litre d acide formique peut libérer par une transformation chimique plus de 53 grammes d hydrogène contre à peine 28 grammes pour un même volume d hydrogène pur pressurisé à 350 bars. Enfin, les chercheurs ont travaillé sur un procédé de catalyse basé sur le fer, métal facilement disponible et peu coûteux en comparaison des métaux «nobles» comme le platine ou le ruthénium. De l acide formique à la pompe C est sans doute dans le domaine automobile que l invention présente les potentiels les plus intéressants. Actuellement, les prototypes produits par certaines grandes marques stockent l hydrogène sous forme classique, avec les problèmes que l on sait : danger d explosion, volume important occupé par le réservoir pressurisé, difficultés pour faire le plein rapidement Les véhicules du XXIème siècle pourraient rouler à l acide formique. Cette solution permet un stockage de l hydrogène non seulement plus sûr, mais également plus compact et plus simple à remplir à la pompe l acide formique est liquide à température ambiante. «Techniquement, c est tout à fait faisable. D ailleurs, de grands constructeurs nous ont contactés en 2008, quand le baril de pétrole a atteint des sommets, confie Gabor Laurenczy. À mon sens, le seul obstacle est économique.» Il s écoulera encore quelques années avant de peut-être pouvoir faire le plein à la première fourmilière croisée sur le chemin. 1. L acide formique dans les nouvelles chaines énergétiques O formule développée de l acide formique : H C O H ; masse volumique de l acide formique : ρd AH = 1,22 kg.l -1 ; masse molaire atomique de l hydrogène : M H = 1,0 g.mol -1 ; masse molaire atomique de l oxygène : M O = 16,0 g.mol -1 ; masse molaire atomique du carbone : M C = 12,0 g.mol -1 ;

2 1.1. Donner deux arguments qui indiquent que l acide formique serait plus avantageux que l hydrogène dans les véhicules du futur. / Sachant que une mole d'acide formique libère une mole de dihydrogène (H 2 ) : démontrer que l affirmation du texte «un litre d acide formique peut libérer par une transformation chimique plus de 53 grammes d hydrogène» est vraie. /1 bonus 2. L acide formique en milieu biologique Dans la dernière phrase de l article, le journaliste évoque la possibilité de faire le plein de carburant à la première fourmilière croisée sur le chemin. Depuis très longtemps les scientifiques s intéressent à l acide formique. En 1671, le naturaliste anglais John Ray a isolé, par distillation d un grand nombre de fourmis mortes, un liquide incolore à forte odeur âcre et au caractère acide nommé acide formique Piqûre de fourmi Les fourmis se défendent en mordant avec leurs mandibules et, pour certaines espèces, en projetant de l acide formique dans la morsure. La réaction avec l eau des tissus occasionne des brûlures. D après Mandibules Quel est le nom, d'après les règles de nomenclature officielle de l'acide formique? Abdomen dirigé vers la zone de morsure Pourquoi l'acide formique est-il un acide selon la théorie de Brönsted? Ecrire l'équation de la réaction chimique avec l'eau, à l'origine des brûlures. L'acide formique est un acide faible, on peut donc lui associer un constante d'acidité que nous noterons K A. Pour déterminer le pka de l'acide formique, on verse un volume V=100mL d'acide formique, de concentration apporté c=1, mol.l -1. On mesure le ph à l'équilibre : ph = 2, Justifier à partir de la valeur du ph que l'on puisse considérer l'acide formique comme un acide faible Montrer que le pka du couple acide formique/ ion formiate est de 3,7. (Une démarche détaillée est attendue.) Aide : Pour répondre à cette question, vous vous appuierez sur l'expression de la constante d'acidité, que vous exprimerez en fonction de la concentration en [H 3 O + ] (à l'aide d'un tableau d'avancement). /1, L estomac du tamanoir La digestion des aliments dans l estomac nécessite un milieu acide de ph environ égal à 2. Chez la plupart des mammifères, ce ph est atteint grâce à la production d acide chlorhydrique dans l organisme. En revanche, l appareil digestif du tamanoir est différent en raison de son régime alimentaire : il mange jusqu à fourmis par jour! pk A du couple acide / ion formiate (HCO 2 H (aq) / HCO 2 (aq)) : 3,7 ; pk A du couple eau / ion hydroxyde (H 2 O (l) / HO (aq)) : 14,0 ; pk A du couple ion oxonium / eau (H 3 O + (aq) / H 2 O (l)) : 0 ; ph > log (c) pour une solution aqueuse d acide faible de concentration c (en mol.l -1 ) en soluté apporté Quelle est l espèce prédominante du couple acide formique / ion formiate dans l estomac des tamanoirs? Justifier à l'aide d'un diagramme de prédominance. / La concentration en acide formique apporté dans l estomac du tamanoir est-elle égale, inférieure ou supérieure à 10 2 mol.l -1? Justifier Proposer une hypothèse justifiant le fait que les tamanoirs n ont pas besoin de produire d acide chlorhydrique pour leur digestion. /0,25

3 CORRECTION 1. L acide formique dans les nouvelles chaines énergétiques O formule développée de l acide formique : H C O H ; masse volumique de l acide formique : ρ AH = 1,22 kg.l -1 ; masse molaire atomique de l hydrogène : M H = 1,0 g.mol -1 ; masse molaire atomique de l oxygène : M O = 16,0 g.mol -1 ; masse molaire atomique du carbone : M C = 12,0 g.mol -1 ; 1.1. Donner deux arguments qui indiquent que l acide formique serait plus avantageux que l hydrogène dans les véhicules du futur. Donner 2 arguments parmi les 3 possibles. 0,5 points par argument. - Stockage plus sûr car l acide formique est très peu inflammable (tandis le dihydrogène est très inflammable et présente des risques d explosion) ; - Stockage plus facile : l acide formique étant liquide à température ambiante, il est inutile de le stocker sous pression et dans un réservoir lourd et encombrant. De plus, à volume égal il permet de stocker plus d énergie que le dihydrogène sous pression et permet donc l utilisation de réservoirs plus petits ou une plus grande autonomie ; Distribution plus rapide et plus facile à la pompe (un liquide est à priori plus facile à distribuer qu un gaz sous pression Sachant que une mole d'acide formique libère une mole de dihydrogène (H 2 ) : démontrer que l affirmation du texte «un litre d acide formique peut libérer par une transformation chimique plus de 53 grammes d hydrogène» est vraie. Question bonus 1pt n( H 2 )=n( HCO 2 H ) détermination de la quantité de matière d'acide formique dans un litre : n( HCO 2 H )= m( HCO 2 H ) M ( HCO 2 H ) or m(hco 2 H )=ρ V =1,22 kg =1, g 1, donc n( HCO 2 H )= (12,0+1,0 2+16,0 2) =26,5mol=n( H 2) détermination de la masse de dihydrogène correspondante : m(h 2 )=n( H 2 ) M ( H 2 )=26,5 2 1,0=53,0 g. On retrouver bien l'affirmation du texte. 2. L acide formique en milieu biologique Dans la dernière phrase de l article, le journaliste évoque la possibilité de faire le plein de carburant à la première fourmilière croisée sur le chemin. Depuis très longtemps les scientifiques s intéressent à l acide formique. En 1671, le naturaliste anglais John Ray a isolé, par distillation d un grand nombre de fourmis mortes, un liquide incolore à forte odeur âcre et au caractère acide nommé acide formique Piqûre de fourmi Les fourmis se défendent en mordant avec leurs mandibules et, pour certaines espèces, en projetant de l acide formique dans la morsure. La réaction avec l eau des tissus occasionne des brûlures. D après Mandibules Abdomen dirigé vers la zone de morsure

4 2.1.1 Quel est le nom, d'après les règles de nomenclature officielle de l'acide formique? Acide méthanoïque (0,5) Pourquoi l'acide formique est-il un acide selon la théorie de Brönsted? L'acide méthanoïque est un acide selon bronsted car il peut céder facilement le proton de la fonction acide carboxylique pour donner HCO 2 - (0,5) Ecrire l'équation de la réaction chimique avec l'eau, à l'origine des brûlures. HCOOH +H 2 O=HCOO +H 3 O + (0,5) L'acide formique est un acide faible, on peut donc lui associer un constante d'acidité que nous noterons K A. Pour déterminer le pk A de l'acide formique, on verse un volume V=100mL d'acide formique, de concentration apporté c=1, mol.l -1. On mesure le ph à l'équilibre : ph = 2, Justifier à partir de la valeur du ph que l'on puisse considérer l'acide formique comme un acide faible. Si l'acide formique avait été un acide fort, le ph de la solution aurait été de 2 (ph = - log c), or on voit que ph > - log c, c'est donc un acide faible. (0,5) Montrer que le pka du couple acide formique/ ion formiate est de 3,7. (Une démarche détaillée est attendue.) Aide : Pour répondre à cette question, vous vous appuierez sur l'expression de la constante d'acidité, que vous exprimerez en fonction de la concentration en [H 3 O + ] (à l'aide d'un tableau d'avancement). Par définition, la constante d'acidité du couple s'écrit : K A = [ HCOO ][ H 3 O + ] [ HCOOH ] (0,25) A partir d'un tableau d'avancement, nous pouvons exprimer les concentrations en HCOO- et HCOOH à partir de la concentration en H 3 O +. (0,25) HCOOH + H 2 O = HCOO - + H 3 O + Etat initial c excès 0 0 équilibre / final c-xf excès xf xf Par conséquent, la constant d'équilibre peut se réécrire : xf xf K A = (c xf ) = xf 2 (c xf ) = [ H O ] eq (0,25) (c [ H 3 O + ] eq ) Pour déterminer la concentration en H 3 O + à l'équilibre utilisons la valeur du ph : [H3O+] = 10 -ph = 10-2,9 (0,25) Donc K A = (10 2,9 ) 2 ( ,9 ) =1, On peut donc en déduire la valeur de pka= log K A =3,7 (0,25) On retrouver bien la valeur donné dans l'énoncé L estomac du tamanoir La digestion des aliments dans l estomac nécessite un milieu acide de ph environ égal à 2. Chez la plupart des mammifères, ce ph est atteint grâce à la production d acide chlorhydrique dans l organisme.

5 En revanche, l appareil digestif du tamanoir est différent en raison de son régime alimentaire : il mange jusqu à fourmis par jour! pk A du couple acide / ion formiate (HCO 2 H (aq) / HCO 2 (aq)) : 3,7 ; pk A du couple eau / ion hydroxyde (H 2 O (l) / HO (aq)) : 14,0 ; pk A du couple ion oxonium / eau (H 3 O + (aq) / H 2 O (l)) : 0 ; ph > log (c) pour une solution aqueuse d acide faible de concentration c (en mol.l -1 ) en soluté apporté Quelle est l espèce prédominante du couple acide formique / ion formiate dans l estomac des tamanoirs? Justifier. (1) Dans l estomac des tamanoirs (ph = 2) donc l espèce prédominante est l acide formique car ph < pka (HCO 2 H) / HCO 2 ). HCO 2 H HCO 2 ph = 2 pk A = 3,8 ph La concentration en acide formique apporté dans l estomac du tamanoir est-elle égale, inférieure ou supérieure à 10 2 mol.l -1? Justifier. (0,5 pt) Méthode 1 (version mathématique) D après les données, ph > log (c) pour une solution aqueuse d acide faible de concentration c en soluté apporté donc 10 ph < c (par application de la fonction 10 x qui est décroissante d où le changement de signe) Dans l estomac, le ph est proche de 2 donc c > 10 2 mol.l -1 Méthode 2 (version «j ai compris la notion d acide faible») Si l acide formique était un acide fort, on pourrait écrire ph = log c avec c concentration en acide formique apporté donc c = 10 ph soit c = 10 2 mol.l -1 car ph = 2. Cependant, l acide formique est un acide faible : sa réaction avec l eau n est pas totale ; pour arriver à un ph aussi acide, la concentration en acide formique apporté doit être supérieure à 10 2 mol.l Proposer une hypothèse justifiant le fait que les tamanoirs n ont pas besoin de produire d acide chlorhydrique pour leur digestion. (0,25) Les tamanoirs se nourissant presque exclusivement de fourmis, ils écrasent les fourmis dans leur bouche et c est l acide formique des fourmis qui permet leur propre digestion en maintenant le ph de l estomac du tamanoir à une faible valeur.