Exercice 1.1 - Régulation de l'acidité · Bac Physique-Chimie Métropole 2021 (sujet 2)

1. Régulation de l'acidité

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

Dans un aquarium, le pH de l'eau est une grandeur à surveiller. Sa valeur doit rester proche d'une valeur optimale qui dépend des espèces vivantes présentes. Pour l'aquarium récifal, le pH optimal vaut 8,1. En journée, la photosynthèse végétale augmente naturellement le pH, qui diminue ensuite pendant la nuit. Les différentes espèces vivantes de l'aquarium peuvent s'acclimater à des variations de la valeur du pH si elles restent faibles.

1.1.

Indiquer ce qui peut être mis en œuvre si la valeur du pH devient trop élevée dans l'aquarium.

On peut considérer que l'eau de l'aquarium se comporte comme une solution tampon.

1.2.

Citer les propriétés d'une solution tampon. Justifier l'utilisation d'une telle solution dans l'aquarium récifal.

Un diffuseur permet de réguler précisément la valeur du pH de l'aquarium en injectant au besoin du dioxyde de carbone à l'état gazeux dans l'aquarium.

Le dioxyde de carbone, CO₂(g), se dissout faiblement dans l'eau de l'aquarium. Il devient du dioxyde de carbone dissous (CO₂,H₂O)(aq) qui peut se dissocier partiellement en ions hydrogénocarbonate HCO₃⁻(aq) et en ions carbonate CO₃²⁻(aq).

Le schéma de Lewis de la molécule de dioxyde de carbone et celui de la molécule d'eau sont donnés ci-dessous.

Molécule · Structure spatiale

· linéaire

· coudée

1.3.

En s'appuyant notamment sur les électronégativités des atomes, justifier la faible solubilité du dioxyde de carbone dans l'eau.

1.4.

Indiquer, parmi les espèces acido-basiques associées au dioxyde de carbone dissous, celles qui sont des acides de Brönsted et celles qui sont des bases de Brönsted.

1.5.

En précisant la démarche suivie, indiquer, parmi les espèces acido-basiques associées au dioxyde de carbone dissous, celle(s) qui prédomine(nt) dans l'aquarium récifal.

Le squelette et la coquille des coraux sont constitués de calcaire, c'est-à-dire de carbonate de calcium CaCO₃(s), qui se forme suivant une transformation modélisée par l'équation de réaction suivante:

$Ca^{2+}(aq) + CO_3^{2-}(aq) \rightarrow CaCO_3(s)$

1.6.

Expliquer pourquoi l'utilisation d'un diffuseur de CO₂ dans l'aquarium peut freiner la formation du squelette et de la coquille des coraux.