Exercice 1 - Force des acides et des bases · Bac Physique-Chimie Métropole 2 remplacement 2025

Exercice 1 - Les pluies acides (9 points)

Formées à partir du dioxyde de soufre et des oxydes d’azote liés aux activités humaines et rejetés dans l’atmosphère, les pluies acides engendrent des problèmes de santé. Elles ont aussi des conséquences visibles sur le sol, la flore et la faune, les métaux, etc. Les pierres calcaires de nombreux bâtiments et statues sont également détériorées par ces pluies acides.

D’après https://www.futura-sciences.com

Le but de cet exercice est d’étudier l’origine des pluies acides ainsi que leurs conséquences sur les bâtiments et les statues, et enfin d’analyser un protocole de contrôle de qualité de l’air.

Données:

masse molaire du carbonate de calcium: $M(\mathrm{CaCO_3}) = 100{,}1\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$;

masse molaire du dioxyde de soufre: $M(\mathrm{SO_2}) = 64{,}1\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$;

constante des gaz parfaits: $R = 8{,}31\text{ J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}$;

masse volumique de l’eau: $\rho(\text{eau}) = 1{,}00\times 10^3\text{ g}\cdot\text{L}^{-1}$;

concentration standard: $c^\circ = 1\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$;

espèces chimiques carbonées en solution: $\mathrm{CO_2(aq)}$, $\mathrm{HCO_3^-(aq)}$ et $\mathrm{CO_3^{2-}(aq)}$.

1. Origine des pluies acides

L'eau de pluie non polluée est naturellement acide et son pH est d'environ 5,6 à 25 °C. Cette acidité est due à la dissolution dans l'eau du dioxyde de carbone $\text{CO}_2$. La concentration à l'équilibre en dioxyde de carbone dissous dans une eau de pluie non polluée à 25 °C est $[\text{CO}_2] = 1{,}3\times 10^{-5}\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$.

Q1.

Écrire l'équation de la réaction acide-base modélisant la transformation chimique entre le dioxyde de carbone dissous et l'eau. Justifier le fait que le dioxyde de carbone puisse rendre acides les pluies.

Q2.

En utilisant la figure 1, vérifier que la valeur du $\text{p}K_A$ du couple $\text{CO}_2(\text{aq})\ /\ \text{HCO}_3^-(\text{aq})$ est voisine de 6,4 à 25 °C.

On suppose que seule la réaction entre le dioxyde de carbone dissous $\text{CO}_2(\text{aq})$ et l'eau a lieu et que la concentration en $\text{CO}_2(\text{aq})$ à l'équilibre, imposée par le dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère, est toujours égale à $1{,}3\times 10^{-5}\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$.

Q3.

Donner la relation entre les concentrations des espèces $\text{HCO}_3^-$ et $\text{H}_3\text{O}^+$ à l'équilibre, notées $[\text{HCO}_3^-]$ et $[\text{H}_3\text{O}^+]$, puis montrer que la constante d'acidité $K_A$ a pour expression:

$$K_A = \frac{[\text{H}_3\text{O}^+]^2}{[\text{CO}_2]\cdot c^\circ}$$

Q4.

Retrouver que la valeur du pH de l'eau de pluie non polluée à 25 °C est de 5,6.

Une eau de pluie est dite acide lorsque son pH est inférieur à 5,6 à 25 °C. L'acidification de l'eau de pluie est due, entre autres, au rejet dans l'atmosphère d'oxydes d'azote $\text{NO}$ et $\text{NO}_2$ qui conduisent à la formation d'acide nitrique $\text{HNO}_3$.

Afin d'étudier les propriétés acido-basiques de l'acide nitrique, on prépare un volume de 2,00 L d'une solution aqueuse S d'acide nitrique diluée 400 fois à partir d'une solution commerciale $\text{S}_0$ de concentration $c_0 = 15{,}2\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$.

Q5.

Indiquer, en précisant les volumes, la verrerie à utiliser pour préparer 2,00 L de solution aqueuse S d'acide nitrique à partir de la solution commerciale $\text{S}_0$.

On plonge une sonde pH-métrique dans la solution S: le pH-mètre affiche une valeur de 1,42 à 25 °C.

Q6.

Déterminer, en justifiant, si la mesure du pH est cohérente avec le fait que l'acide nitrique est un acide fort dans l'eau.