Exercice 2 - Réactions acido-basiques · Bac STI2D Physique-Chimie et Mathématiques Métropole remplacement 2024

EXERCICE 2 (7 points) (physique-chimie)

Impact de la pollution atmosphérique sur les bâtiments historiques

Les sculptures et monuments historiques construits en pierres calcaires souffrent de l'action de la pollution atmosphérique des villes.

Ainsi, la dissolution du dioxyde de soufre présent dans l'air dans les eaux de pluies entraîne la formation d'acide sulfurique $\mathrm{H_2SO_{4(aq)}}$.

Celui-ci se dissocie totalement dans l'eau en libérant des ions $\mathrm{H_3O^+_{(aq)}}$. Le $pH$ des eaux de pluie peut alors être inférieur à 5.

Données:

Formule du calcaire: $\mathrm{CaCO_{3(s)}}$ ou $(\mathrm{Ca^{2+}, CO_3^{2-}})_{\mathrm{(s)}}$.

Les couples acides bases à considérer dans cette étude sont: $$\mathrm{HCO_{3(aq)}^- \ / \ CO_{3(aq)}^{2-}}$$$$\mathrm{H_3O^+_{(aq)} \ / \ H_2O_{(l)}}$$

Q1.

À partir des informations données en début d'exercice, justifier le caractère acide des eaux de pluies dans lesquelles le dioxyde de soufre présent dans l'air s'est dissout.

Q2.

Écrire l'équation de la réaction acide-base qui a lieu lorsque les ions oxonium $\text{H}_3\text{O}^+_{(\text{aq})}$ réagissent avec les ions carbonate $\text{CO}_3^{2-}{}_{(\text{aq})}$ du calcaire. Les ions calcium $\text{Ca}^{2+}$ sont spectateurs, ils n'interviennent pas dans le bilan de la réaction.

Étude expérimentale

Pour étudier au laboratoire l'action de l'eau acidifiée par l'acide sulfurique sur la pierre composant les immeubles on met en présence un morceau de calcaire cylindrique calibré et une solution d'acide sulfurique dont le $p\text{H}$ vaut 4,5.

À l'instant initial, on plonge le morceau de calcaire dans la solution, on déclenche le chronomètre et on mesure la diminution de la masse de calcaire au cours du temps, au milligramme près.

Document 1 – Photo du matériel expérimental

Réactifs et matériel mis en œuvre:

Une solution aqueuse d'acide sulfurique de $p\text{H} = 4{,}5$.

Un morceau de pierre calcaire.

Un chronomètre.

Un agitateur magnétique.

Une balance de précision à 0,001 g.

Les résultats de l'expérience sont consignés dans le tableau du document 2.

Document 2 - masse des pierres calcaires en fonction du temps Temps (minutes) · 0 · 30 · 60 · 90 · 150 · 210 · 270 · 495 · 1000

$m_{\text{calcaire}}$ (g) · 4,622 · 4,622 · 4,622 · 4,621 · 4,622 · 4,620 · 4,610 · 4,605 · 4,600

Q3.

Calculer la concentration en ions $\text{H}_3\text{O}^+_{(\text{aq})}$ dans la solution à l'instant initial.

Q4.

À l'aide des données du tableau, calculer la perte de masse de calcaire a diminué pour une durée d'expérience de 4,5 h.

La surface du morceau de pierre en contact avec la solution d'acide sulfurique est $S = 6{,}7 \times 10^{-4}\text{ m}^2$ et la masse volumique du calcaire est $\rho = 2{,}500 \times 10^6\text{ g}\cdot\text{m}^{-3}$.

Q5.

Calculer la diminution du volume de la pierre, notée $\Delta V$, au bout d'une durée de présence dans la solution de 4,5 h.

Q6.

Sachant que la variation de volume de la pierre entraine une diminution de l'épaisseur $\Delta e = \frac{\Delta V}{S}$, montrer que la diminution d'épaisseur de la partie de la pierre en contact avec la solution d'acide sulfurique vaut: $\Delta e = 7{,}2\ \mu\text{m}$.

En admettant que la vitesse d'attaque du calcaire par l'acide reste constante, calculer le temps nécessaire pour que la réaction ait enlevé une couche de 1 mm d'épaisseur au calcaire.

La formation de gypse

La présence de dioxyde de soufre dans l'air entraîne également la formation de gypse (sulfate de calcium) sur les pierres calcaires. Ce dépôt de gypse protège le calcaire de l'action des pluies acides mais il forme des dépôts noirs sur les façades.

Q7.

Expliquer en quoi la formation de gypse peut limiter l'action des pluies acides sur la pierre.