ACADEMIE DE LYON MERCREDI FEVRIER 011 THEME : CHIME ET EAU DUREE DE L EPREUVE : h 00 L usage des calculatrices EST autorisé Ce sujet comporte parties présentées sur 8 pages numérotées de 1 à 8, y compris celle-ci et l annexe. La feuille d annexe (page 8) EST A RENDRE AVEC LA COPIE même si elle n a pas été complétée. Le candidat doit traiter les parties I et II qui sont indépendantes l une de l autre : PARTIE I - ANALYSE D UNE EAU NATURELLE PARTIE II - TRAITEMENT D UNE EAU Olympiades de la Chimie - Lyon Page 1/ 7
PARTIE I - ANALYSE D UNE EAU NATURELLE (19 points) I - Titrage d un pesticide : l acifluorfen ( /8) 1. Formule brute de l acifluorfen : C 1 H 7 ClF NO 5. Formule topologique de la base conjuguée de l acifluorfen : A. H. Constante d acidité du couple AH / A - O : K A AH K A 10 -pka 10 -,86 1,8.10 -. Le pk A du pesticide étant de,86 et une eau potable ayant un ph compris entre 6,5 et 9 : la forme basique A - est prédominante car ph (eau potable) > pk A (AH/A - ). 5. Domaines du visible, des UV et des IR sur un axe gradué en longueur d onde : UV Visible IR λ 1 nm 00 nm 800 nm 1 mm Consigne de notation : 0,5 ordre respecté 0,5 limites du visible (limites basses des UV et limite haute des IR non exigées) - 0,5 si pas de grandeur indiqué sur l axe - 0,5 si pas d unité. 6. L appareil permettant de réaliser la figure est un spectrophotomètre. 7. La loi de Beer-Lambert s écrit A.l.C où A est l absorbance de l espèce chimique considérée sans unité, est le coefficient d extinction (ou absorption) molaire de l espèce chimique à une longueur d onde donnée en L.mol -1.cm -1, l est la largeur de la cuve en mètre et C la concentration molaire de l espèce chimique étudiée en ou mol.l -1. Accepté : A k.c avec k en L.mol -1 8. Formules semi-développées du méthanol : Hexane : ou CH -(CH ) -CH 9. Etude de l influence de la nature du solvant sur l absorbance d un soluté donné : D après les courbes, on voit que : - La nature du solvant influe sur la longueur d onde maximale d absorption du soluté (λ max dans H O 10 nm alors que λ max dans MeOH 80 nm par exemple) - La nature du solvant influe sur l absorbance du soluté car on voit qu à même concentration et pour une même longueur d onde (de 80 nm par exemple), l acifluorfen absorbe beaucoup moins dans l hexane que dans MeOH ou l acétonitrile par exemple. 10. Concentration molaire C E en acifluorfen dans l extrait E analysé : Olympiades de la Chimie - Lyon Page / 7
1 Pour A 0,065, on lit C E 1,6 µmol.l -1 ( 0,5µmol.L -1 accepté) Consigne de notation : 0,5 tracé de la droite moyenne 0,5 lecture graphique apparente 0,5 résultat de C E 11. Concentration massique t 0 (en µg/l) en acifluorfen dans l eau potable : On a concentré 5000 fois donc dans l eau de départ : C E0 C E / 5000,7.10-9 mol.l -1 d où t 0 C E0.M A 0,98 µg/l t 0 > 0,100 µg/l donc l eau n est pas potable et a subi une pollution. 1. Signification des deux données : Seuil de quantification : la plus petite concentration de l analyte pouvant être quantifiée, avec une incertitude acceptable, dans les conditions expérimentales décrites de la méthode. Seuil de détection : la plus petite concentration de l analyte pouvant être détectée, avec une incertitude acceptable, mais non quantifiée dans les conditions expérimentales décrites de la méthode. II - Détermination de la dureté d une eau ( /) 1. Un acide est une espèce chimique susceptible de céder un ou plusieurs protons. Un tétraacide peut céder protons.. Lors de l ajout de la solution titrante d EDTA, les ions Ca + et Mg + sont alors complexés avec l EDTA formant des complexes incolores et le NET est progressivement libéré jusqu à l équivalence. Le mélange réactionnel devient bleu car le NET sous forme libre colore la solution en bleu.. La relation liant les trois quantités de matière est n E n i (Ca + ) + n i (Mg + ).. La relation liant les concentrations molaires des ions calcium et magnésium et le volume V E est : ([Ca + ] + [Mg + ]).V 1 c.v E Olympiades de la Chimie - Lyon Page / 7
5. [Ca + t ] 0,67 1,.10 - mol.l -1 M(Ca ) 0 [Mg + t ] 0,08,5.10 - mol.l -1 M(Mg ) V E Ca Mg 1,.10,5.10 V1 10,0.10 0,0155 L 16 ml c 1,0.10 6. TH ([Ca + ] + [Mg + ]).10 155. L eau est très dure. III - Alcalinité d une eau ( /7) 1.a. Domaine de prédominance : 0.75 1.b. Le ph de l eau minérale étant de 7,0, l espèce prédominante est alors l ion hydrogénocarbonate HCO..a. Equation de la réaction de dosage : HCO (aq) + HO (aq) CO, H O (aq) + H O (l).b. Avec le minimum de la dérivée, on trouve ph,1 et V E 1,5 ml. 1.c. L indicateur le mieux adapté à ce titrage est le vert de bromocrésol car le ph à l équivalence est compris dans sa zone de virage..d. A l équivalence, on a : n( HCO ) 0 n( HO ) E [ HCO ].V 1 C.V E [ HCO ] C.V E V 1,5 1,0.10 1 0,0 6,8.10 - mol.l -1. Déterminer le T.A.C. revient à chercher le volume équivalent d acide fort C 0.10 - mol.l -1 nécessaire pour doser V 1 100 ml d eau en présence de vert de bromocrésol : V E HCO.V C 1 6,8.10 100 0.10 ml d où TAC : l eau est donc potable car TAC < 50. PARTIE II - TRAITEMENT D UNE EAU ( /1) I - Traitement chimique du manganèse ( /.5) 1. Demi-équations électroniques : MnO / MnO MnO (aq) MnO / Mn + MnO (s) + H + + e - + H + + e - MnO (s) + H O (l) Mn (aq).a. MnO + H + + e - MnO (s) + H O (l) (aq) MnO (s) + H + + e - Equation de la réaction : Mn (aq) + H O (l) MnO (aq) + + H O (l) Mn (aq) + H O (l) 5 MnO (s) + H +.b. Quantité de matière initiale d ions Mn + dans 1000 L : n(mn + ) 0 c 1000.10 - mol. Olympiades de la Chimie - Lyon Page / 7
n(mno ) n(mn ) D après les nombres stœchiométriques de l équation : <. Les ions MnO sont en défaut, en fin de réaction, il reste : n(mn + ).10 - - 1,5.10-5 10 - mol d'ion Mn + dans 1000 L soit [Mn + ] 5.10-7 mol.l -1 L eau est alors conforme à la norme. II - Epuration biologique des eaux A - Oxydation de la matière organique en milieu aérobie ( / 7) 1. Un oxydant est une espèce chimique capable de gagner un ou plusieurs électrons. Un réducteur est une espèce chimique capable de perdre un ou plusieurs électrons..a. Formule semi-développée de l éthanol :..b. Cette molécule est l éthanol..c. Le groupe fonctionnel entouré se nomme groupe hydroxyle..d. Cet alcool est un alcool primaire..a. Demi-équation électronique du couple CO / C H 5 OH : C H 5 OH (aq) + H O (l) CO (g) + 1 H + + 1 e -..b. Demi-équation électronique du couple O / H O : O (g) + H + + e - H O (l).c. Réaction d oxydation de l éthanol : C H 5 OH (aq) + H O (l) CO (g) + 1 H + + 1 e - O (g) + H + + e - H O (l) C H 5 OH (aq) + O (g) CO (g) + H O (l).a. Dans V 0 10 m 10.10 L d effluent, la masse d éthanol est m C 0.V 0 5.10-10.10 50 g soit une quantité de matière n m M 50 5, mol. (M) 1,0 61,0 116,0 D après les nombres stœchiométriques de la réaction, la quantité de matière de dioxygène nécessaire pour oxyder n 5, mol d éthanol est telle que n(o ) n 5, 16 mol soit une masse de dioxygène m(o ) n(o ) M(O ) 16,0 5,.10 g..b. Calcul du volume de dioxygène nécessaire : n(o )R.T 16 8,19 De la loi des gaz parfaits, on a : V(O ) 0,9 m. 5 V 1,01.10 Le volume d air pour réaliser cette opération est V a 0,9 100 1 1,9 m. B - Oxydation de la matière organique en milieu anoxie en présence d ions nitrate ( /) 1. Demi-équation électronique du couple NO / N :. Réaction d oxydation de l éthanol par l ion nitrate : C H 5 OH (aq) + H O (l) CO (g) + 1 H + + 1 e - 5 NO (aq) + 1 H + + 10e - N (g) + 6 H O (l) 6 5 C H 5 OH (aq) + 1 NO (aq) + 1 H + 10 CO (g) + 6 N (g) + 1 H O (l). (n) (rel) (T) (P) NO (aq) + 1 H + + 10e - N (g) + 6 H O (l). Masse d ions nitrate dans V 0 10 m 10.10 L : m( NO ) C 0.V 0 0,100 10.10 1,0.10 g soit une quantité de matière n( NO ) m(no ) M(NO ) 1,0.10 11,0 16,0 16 mol (V) Olympiades de la Chimie - Lyon Page 5/ 7
D après les nombres stœchiométriques de l équation de la réaction : n(c H 5 OH) 5 1 n( NO ) 6,7 mol soit une masse minimale d éthanol m n(c H 5 OH) M(C H 5 OH) 6,7 ( 1,0 + 6 1,0 + 1 16,0),1.10 g. C - La déphosphatation des eaux ( /7.5) 1.a. Diagramme de prédominance des différentes formes du phosphore : 1 1.b. Réaction de l acide phosphorique H PO avec l eau : H PO + H O (l) HPO (aq) + HO (aq) [HPO ].[HO ] 1.c. Constante d équilibre associée à la réaction précédente : K [H PO ] 1.d. La constante d équilibre correspond à la constante d acidité du couple H PO / HPO, donc pk A - log K A1,1. Diagramme de prédominance des différentes formes de l azote :.a. A ph 9,5, les espèces prédominantes sont NH et.b. Concentration molaire de cet effluent en ions [H C P [ PO PO ] ] 1 [PO ] PO : HPO. [H C P [ PO PO ] ] 1 [HPO ] [H C P [ PO O ] [HO ] [HO ] [HO ] [HO ] [HO ] ] 1 Ka1 Ka Ka Ka Ka Ka [H C P [ PO O ] [HO ] [HO ] ] 1 Ka1 Ka Ka Ka Ka Ka [ PO ] [ PO ] C P [H O ] [H O ] [H O ] 1 Ka1 Ka Ka Ka Ka Ka,0.10 5,0.10-6 mol.l -1 9,5 9,5 9,5 10 10 10 1,1 7, 1, 7, 1, 1, 10 10 10 10 10 10.c. Concentration molaire de cet effluent en ions NH : [NH C N [ NH ] ] 1 [NH ] K C N [ NH a ] 1 [H O ] Olympiades de la Chimie - Lyon Page 6/ 7
[ NH ] C N K a 1 [H O ] 15.10 [ NH ] 5,0.10 - mol.l -1 9, 10 1 10 9,5. Concentration en ions Mg + à partir de laquelle le précipité de struvite apparait : [ PO ] K [PO ].[NH ] S 11 10 5,0.10 5,0.10 6,0.10 - mol.l -1 Olympiades de la Chimie - Lyon Page 7/ 7