Exercice 1.4 - Prévention des infections · Bac Physique-Chimie Métropole 2021 (sujet 2)

EXERCICE 1 commun à tous les candidats (10 points)

L'AQUARIUM RÉCIFAL

Depuis décembre 2019, le Parc Zoologique de Paris accueille un requin bambou. Il vit dans un aquarium qui cherche à reproduire l'environnement naturel de cette espèce.

Cet aquarium, dit récifal, est un bac marin destiné à héberger un écosystème très riche: coraux, crustacés et nombreux poissons tous originaires des eaux peu profondes des côtes de Madagascar. Cet écosystème est complexe et fragile. Plusieurs paramètres sont à contrôler pour maintenir l'équilibre du milieu et assurer le bien-être des différentes espèces vivantes qui y cohabitent.

Le but de cet exercice est d'étudier l'influence de certains de ces paramètres, pH et salinité, ainsi que des méthodes de traitement de l'eau.

Données à 25 °C:

couples acide/base associés au dioxyde de carbone dissous $(CO_2,H_2O)(aq)$:

$(CO_2,H_2O)(aq)/HCO_3^-(aq)$: $pK_{A1} = 6{,}4$;

$HCO_3^-(aq)/CO_3^{2-}(aq)$: $pK_{A2} = 10{,}3$;

masse molaire atomique de l'ion chlorure: $M(C\ell^-) = 35{,}5\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$;

conductivités molaires ioniques: Ion · $Ag^+$ · $NO_3^-$ · $Na^+$ · $C\ell^-$

$\lambda$ ($\mathrm{mS\cdot m^2\cdot mol^{-1}}$) · 6,19 · 7,14 · 5,01 · 7,63

numéros atomiques et électronégativités: · Hydrogène · Carbone · Oxygène

Z (numéro atomique) · 1 · 6 · 8

$\chi$ (électonégativité) · 2,20 · 2,55 · 3,44

4. Prévention des infections

Un aquariophile traite de manière préventive son aquarium contre les infections. Pour cela, il utilise une solution aqueuse antiseptique de bleu de méthylène. Le bleu de méthylène ($\mathrm{C_{16}H_{18}C\ell N_3S}$) est un colorant faiblement biodégradable, de couleur bleue foncée. L'excès de bleu de méthylène est éliminé par des « filtres » à charbon actif.

Le charbon actif est une poudre noire dont les pores, observables au microscope électronique, permettent notamment de fixer et retenir des molécules organiques. C'est le phénomène d'adsorption.

La capacité d'adsorption du charbon actif peut être évaluée à l'aide d'un dosage par étalonnage en suivant le protocole expérimental suivant:

tracer la courbe d'étalonnage de l'absorbance, à $\lambda = 650\text{ nm}$, pour des solutions étalon de bleu de méthylène;

mesurer l'absorbance d'un échantillon d'eau polluée en bleu de méthylène;

prélever un volume $V$ de $50{,}0\text{ mL}$ d'eau polluée et y ajouter $100{,}0\text{ mg}$ de charbon actif;

agiter le mélange puis filtrer;

mesurer l'absorbance de la solution filtrée après traitement au charbon actif.

4.1.

Justifier l'intérêt de l'étape de filtration.

Pour les questions suivantes, le candidat est invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie même si elle n'a pas abouti. La démarche est évaluée et nécessite d'être correctement présentée.

On applique le protocole précédent et on obtient les résultats suivants:

Les valeurs d'absorbance obtenues avant et après traitement de l'eau de l'aquarium pour éliminer l'excès de bleu de méthylène sont $A_{\text{polluée}} = 1{,}5$ et $A_{\text{traitée}} = 0{,}2$.

4.2.

Montrer que la masse $m_{\text{a}}$ de colorant adsorbée par gramme de charbon actif est voisine de $7\text{ mg}$. Développer votre démarche ci-dessous puis indiquer la valeur trouvée:

4.3.

Sachant qu'un traitement préventif de l'aquarium, de volume $V = 8\,000\text{ L}$, nécessite $1$ à $2\text{ mg}$ de bleu de méthylène par litre d'eau, calculer la masse de charbon actif nécessaire afin de réaliser le traitement pour cet aquarium récifal. Commenter.