Exercice 1 - Titrages · 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 $\mathrm{CO_3^{2-}(aq)}$.

3. Prévention des pluies acides: contrôle de la qualité de l'air

Afin de réduire les émissions d'oxydes d'azote et de dioxyde de soufre $\mathrm{SO_2}$, espèces également responsables de l'acidité des pluies, plusieurs dispositions règlementaires ont été prises dans de nombreux pays. Des normes de qualité de l'air ont été fixées pour le dioxyde de soufre $\mathrm{SO_2}$, et un contrôle régulier de sa concentration dans l'air est réalisé.

On donne ci-après les normes de qualité de l'air liées à la concentration en masse de dioxyde de soufre $\mathrm{SO_2}$ dans l'air en France:

Norme

Valeur

Période de référence

Objectif de qualité

$50\ \mu\mathrm{g\cdot m^{-3}}$

en moyenne annuelle

Valeur limite

$125\ \mu\mathrm{g\cdot m^{-3}}$

en moyenne journalière à ne pas dépasser plus de 3 jours par an

Seuil d'information et de recommandation

$300\ \mu\mathrm{g\cdot m^{-3}}$

en moyenne horaire

D'après https://www.ecologique-solidaire.gouv.fr/pollution-lair-origines-situation-et-impacts

Afin de déterminer la concentration du dioxyde de soufre $\mathrm{SO_2}$ dans l'air, on réalise l'expérience suivante:

étape 1: avec une pompe, on fait barboter de l'air, en continu pendant 7 jours, dans une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène $\mathrm{H_2O_2(aq)}$. Le volume total d'air ainsi utilisé est de $18{,}5\ \mathrm{m^3}$. On obtient une solution aqueuse notée $\mathrm{S_a}$; on suppose que toute la quantité de dioxyde de soufre apporté par l'air au cours de son barbotage se dissout dans la solution de peroxyde d'hydrogène et que c'est la seule espèce acide;

étape 2: on titre les ions oxonium $\mathrm{H_3O^+}$ de la solution $\mathrm{S_a}$ par une solution aqueuse $\mathrm{S_b}$ d'hydroxyde de sodium de concentration égale à $c_b = 1{,}0\cdot 10^{-2}\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}}$. Le volume de solution $\mathrm{S_b}$ versé à l'équivalence du titrage est $V_E = 4{,}0\ \mathrm{mL}$.

Q11.

La transformation chimique ayant lieu lors de l'étape 1 est totale et peut être modélisée par la réaction d'équation:

$$\mathrm{H_2O_2(aq) + SO_2(aq) + 2\ H_2O(\ell) \rightarrow 2\ H_3O^+(aq) + SO_4^{2-}(aq)}$$

Sachant que le peroxyde d'hydrogène a été introduit en excès, déterminer la relation entre la quantité de matière $n(\mathrm{SO_2})$ de dioxyde de soufre présent dans l'air analysé et la quantité de matière $n(\mathrm{H_3O^+})$ d'ions oxonium contenus dans la solution $\mathrm{S_a}$.

Q12.

En considérant que la concentration en masse du dioxyde de soufre dans l'air n'a pas varié pendant toute la durée de l'étape 1, déterminer si les $18{,}5\ \mathrm{m^3}$ d'air analysé respectent les normes de qualité concernant le dioxyde de soufre. Commenter le protocole et les hypothèses du raisonnement.

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.