L’ammoniac : un futur carburant pour les transports maritimes

Bac Liban 2024 Sujet 2

Exercice 1 – (9 points) –  Durée 1h35 – Calculatrice autorisée

Sujet n°24-PYCJ2G11

Sujet et corrigé

EXERCICE 1 : l’ammoniac : un futur carburant pour les transports maritimes (9 points)

L’industrie chimique produit chaque année 180 millions de tonnes d’ammoniac. L’ammoniac est principalement utilisé dans la production d’engrais et dans le stockage de l’énergie. C’est aussi un carburant potentiel pour les années futures, notamment dans le domaine des transports maritimes.

Dans les conditions normales de température et de pression, l’ammoniac, de formule NH3, est un gaz incolore à l’odeur très désagréable.

D’après le site Médiachimie.

Cet exercice comporte deux parties : la première s’intéresse à la molécule d’ammoniac et ses propriétés chimiques, la seconde traite de la synthèse de l’ammoniac et de l’amélioration du procédé.

1.    Étude de la molécule et de ses propriétés chimiques

Données :

• numéro atomique de l’azote : Z(N) = 7 ;
• électronégativités : χ(N) = 3,04 ; χ(H) = 2,20 ; χ(O) = 3,44 ;
• la géométrie de la molécule d’ammoniac est pyramidale :
• pK_A du couple NH₄⁺ (aq) / NH₃ (aq) = 9,2 ;
• zones de virage de quelques indicateurs colorés :

Indicateur coloré	Teinte acide	Zone de virage	Teinte basique
Hélianthine	Rouge	3,1 – 4,4	Jaune
Rouge de méthyle	Rouge	4,2 – 6,2	Jaune
Bleu de bromothymol ou BBT	Jaune	6,0 – 7,6	Bleu
Thymolphtaléine	Incolore	9,3 – 10,5	Bleu

Q.1. Représenter le schéma de Lewis de la molécule d’ammoniac.

Q.2. Donner un argument justifiant la grande solubilité de l’ammoniac dans l’eau.

$\Delta\chi=\chi N-\chi(H)$
$\Delta\chi=3,04-2,20$
$\Delta\chi=0,84$
La différence d’électronégativité entre l’azote et l’hydrogène est supérieure à 0,4 : les liaisons sont polarisées.
L’eau est un solvant polaire. Le caractère polaire de la molécule d’ammoniac peut expliquer la grande solubilité de l’ammoniac dans l’eau.

Q.3. Définir une base selon Brönsted.

Selon Bronsted : Une base est une espèce chimique capable de capter un ou plusieurs proton(s) H⁺.

Q.4. Écrire l’équation de la réaction modélisant la transformation de l’ammoniac avec l’eau.

$NH_3\left(aq\right)+H_2O\left(l\right)\rightleftarrows NH_4^+aq+HO-aq$

Q.5. En déduire, en la justifiant, la couleur de la solution obtenue.

On mesure le pH de la solution aqueuse d’ammoniac obtenue : pH = 11,0.

Q.6. Indiquer l’espèce qui prédomine en justifiant la réponse à l’aide d’un diagramme de prédominance.

Diagramme de prédominance :

Pour pH=11, l’ammoniac NH₃ est prédominant.

On simule le titrage d’un volume V_B = 20,0 mL d’une solution aqueuse d’ammoniac de pH = 11,0 par de l’acide chlorhydrique (H₃O⁺(aq) ; Cl^– (aq)) de concentration C_A = 0,100 mol·L^-1.

On obtient la courbe suivante :

Figure 1 : courbe simulée du titrage de 20,0 mL de la solution aqueuse d’ammoniac par l’acide chlorhydrique de concentration 0,100 mol·L^-1.

Q.7. Écrire l’équation de la réaction support du titrage.

$NH_3\left(aq\right)+H_3O^+\left(aq\right)\rightarrow NH_4^+\left(aq\right)+H_2O\left(l\right)$

Q.8. Justifier l’utilisation du rouge de méthyle comme indicateur coloré pour ce titrage.

Q.9. Déterminer la valeur de la concentration C_B de la solution aqueuse d’ammoniac choisie pour cette simulation.

2.    Synthèse de l’ammoniac

En 1909, le chimiste allemand, Fritz Haber, chercheur à l’Université de Karlsruhe, réussit, en laboratoire, la synthèse de l’ammoniac NH₃(g) à partir du diazote de l’air N₂(g) et de dihydrogène H₂(g).

Aujourd’hui, cette synthèse se fait sous une pression d’environ 300 bar, à 500 °C en présence d’un catalyseur riche en fer. En utilisant 6,0 mol de diazote et 6,0 mol de dihydrogène, on obtient 0,80 mol d’ammoniac.

Q.10. Écrire l’équation de la réaction modélisant la synthèse de l’ammoniac.

La synthèse (Produit) de l’ammoniac NH₃(g) à partir (Réactifs) du diazote de l’air N₂(g) et de dihydrogène H₂(g)
$N_2\left(g\right)+3H_2\left(g\right)\rightarrow 2NH_3\left(g\right)$

Q.11. Déterminer l’avancement final x_f de cette réaction dans les conditions données. Comparer la valeur obtenue à celle de l’avancement maximal et conclure.

	$N_2\left(g\right)$	$+3H_2\left(g\right)$	$\rightarrow 2NH_3\left(g\right)$
État initial	6,0	6,0	0
État intermédiaire	6,0-x	6,0-3x	2x
État final	$6,0-x_f$	$6,0-3x_f$	$2x_f=0,80$

Calculons l’avancement final :
$2x_f=0,80$
$x_f=\frac{0,80}{2}$
$x_f=0,40\ mol$

Calculons l’avancement maximale :
$6,0-x_{max1}=0$
$-x_{max1}=-6,0$
$x_{max1}=6,0\ mol$

$6,0-3x_{max2}=0$
$-3x_{max2}=-6,0$
$x_{max2}=\frac{-6,0}{-3}$
$x_{max2}=2,0\ mol$

$x_{max2}<x_{max1}$ : $x_{max}=x_{max2}=2,0\ mol$

Comparons l’avancement final et l’avancement maximal :
$x_f<x_{max}$ : la réaction est limitée.

La société française ENGIE investit dans le développement d’un des premiers projets de dihydrogène renouvelable. Ce projet est situé dans la région de Pilbara en Australie. En 2024, la première phase produira 640 tonnes de dihydrogène par an. Le dihydrogène sera utilisé comme matière première pour la production d’ammoniac. Le rendement de la production d’ammoniac sera de 20 %.

Figure 2 : schéma du procédé Haber-Bosch

Données :

• équations des réactions électrochimiques modélisant les transformations aux électrodes :
  • 2 H⁺(aq) + 2 e^– → H₂(g)
  • 2 H₂O(l) → O₂(g) + 4 H⁺(aq) + 4 e^– ;
• volume molaire dans les conditions de l’expérience : Vm = 24 L·mol^-1 ;
• nombre d’Avogadro : NA = 6,02×10²³ mol^-1 ;
• charge élémentaire e = 1,6×10^-19 C ;
• quantité d’électricité Q : Q = I×Δt = n_e-×N_A×e avec n_e- la quantité de matière d’électrons échangés (en mol) ;
• masses molaires atomiques en g·mol^-1 : M(H) = 1,0 ; M(N) = 14,0.

L’électrolyse de l’eau utilisée dans l’usine de Pilbara peut être reproduite au laboratoire grâce au montage de la figure 3, en remplaçant la cellule photovoltaïque par un générateur.

                              

Q.12. Indiquer, parmi celles numérotées ①,② ou ③ sur la figure 4, les deux flèches représentant respectivement le sens du courant électrique et celui du déplacement des électrons.

Q.13. Associer à chacune des électrodes, A et B, une des équations des réactions électrochimiques figurant dans les données et nommer les gaz formés à chaque électrode.

Les électrons arrivent sur l’électrode A. Les électrons sont consommés à cette électrode :
$2H^+\left(aq\right)+2e^-\rightarrow H_2\left(g\right)$
Le gaz formé sur l’électrode A est le dihydrogène H2. Sur l’électrode B les électrons sont produits :
$2H_2O\left(l\right)\rightarrow O_2\left(g\right)+4H^+\left(aq\right)+4e^-$
Le gaz formé sur l’électrode B est le dioxygène O₂.

On recueille 4,0 mL de gaz dans un des tubes et 2,0 mL dans l’autre.

Q.14. Écrire l’équation de la réaction modélisant la transformation chimique qui se déroule dans l’électrolyseur. Valider la stœchiométrie des deux gaz formés en analysant les volumes de gaz obtenus aux électrodes.

$2\times\ \ \ \ \ \ 2H^+\left(aq\right)+2e^-\rightarrow H_2\left(g\right)$
$2H_2O\left(l\right)\rightarrow O_2\left(g\right)+4H^+\left(aq\right)+4e^-$
$4H^+\left(aq\right)+2H_2O\left(l\right)\rightarrow O_2\left(g\right)+4H^+\left(aq\right)+2H_2\left(g\right)$

$2H_2O\left(l\right)\rightarrow O_2\left(g\right)+2H_2\left(g\right)$
$\frac{n\left(O_2\right)}{1}=\frac{n\left(H_2\right)}{2}$

Or
$n=\frac{V}{V_m}$

$\frac{V\left(O_2\right)}{V_m}=\frac{\frac{V\left(H_2\right)}{V_m}}{2}$
$\frac{V\left(O_2\right)}{V_m}=\frac{V\left(H_2\right)}{2\times V_m}$

$V\left(O_2\right)=\frac{V\left(H_2\right)}{2}$
Ou
$V\left(H_2\right)=2\times V\left(O_2\right)\ $
On remarque que le volume de gaz formé (dihydrogène H₂) à l’électrode A est deux fois supérieur au volume de gaz formé (dioxygène O₂) à l’électrode B.

La manipulation dure Δt = 3 min et 20 s. L’intensité du courant est de 0,16 A.

Q.15. Calculer la quantité d’électricité Q ayant circulé dans le circuit électrique pendant la durée de l’électrolyse au laboratoire et en déduire la quantité de matière d’électrons échangés.

Calculons la quantité d’électricité Q :
$Q=I\times \Delta t$
$Q=0,16\times\left(3\times 60+20\right)\ $
$Q=32\ C$

Calculons la quantité́ de matière d’électrons échanges :
$Q=n\left(e^-\right)\times Na\times e$
$n\left(e^-\right)\times Na\times e=Q$
$n\left(e^-\right)=\frac{Q}{Na\times e}$
$n\left(e^-\right)=\frac{32}{6,02\times {10}^{23}\times 1,6\times {10}^{-19}}$
$n\left(e^-\right)=3,3\ \times {10}^{-4}\ mol$

Q.16. En déduire le volume de dihydrogène que l’on pourrait obtenir dans les conditions de l’expérience. Comparer aux données expérimentales.

$2H^+\left(aq\right)+2e^-\rightarrow H_2\left(g\right)$
$\frac{n\left(e^-\right)}{2}=\frac{n\left(H_2\right)}{1}$
$n\left(H_2\right)=\frac{n\left(e^-\right)}{2}$

Or
$n\left(H_2\right)=\frac{V\left(H_2\right)}{V_m}$

D’où
$\frac{V\left(H_2\right)}{V_m}=\frac{n\left(e^-\right)}{2}$
$V\left(H_2\right)=\frac{n\left(e^-\right)}{2}\times V_m$

$V\left(H_2\right)=\frac{3,3\ \times {10}^{-4}}{2}\times 24$
$V\left(H_2\right)=4,0\ \times {10}^{-3}\ L$
$V\left(H_2\right)=4,0\ mL$

Le volume trouvé est cohérent avec les données expérimentales (4,0 mL)

Q.17. Déterminer la masse d’ammoniac qui pourra être produite en 2024 à partir du dihydrogène produit dans l’usine de Pilbara. Commenter.

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.

D’après l’énoncé : « En 2024, la première phase produira 640 tonnes de dihydrogène par an ».

Calculons la masse d’ammoniac qui pourra être produite en 2024 à partir du dihydrogène produit dans l’usine de Pilbara en considérant la réaction totale :
$N_2\left(g\right)+3H_2\left(g\right)\rightarrow 2NH_3\left(g\right)$
$\frac{n\left(NH_3\right)}{2}=\frac{n\left(H_2\right)}{3}$
$n\left(NH_3\right)=2\times\frac{n\left(H_2\right)}{3}$

Or
$n=\frac{m}{M}$

$\frac{m\left(NH_3\right)}{M\left(NH_3\right)}=2\times\frac{m\left(H_2\right)}{3\times M\left(H_2\right)}$
$m\left(NH_3\right)=2\times\frac{m\left(H_2\right)}{3\times M\left(H_2\right)}\times M\left(NH_3\right)$
$m\left(NH_3\right)=2\times\frac{640\times {10}^3}{3\times\left(2\times 1,0\right)}\times\left(14,0+3\times 1,0\right)$
$m\left(NH_3\right)=3,6\times {10}^6\ kg$
$m\left(NH_3\right)=3,6\times {10}^3\ tonnes$

En considérant que le rendement de la production d’ammoniac sera de 20 %.
$m_{reel}\left(NH_3\right)=\frac{20}{100}\times m\left(NH_3\right)$
$m_{reel}\left(NH_3\right)=\frac{20}{100}\times 3,6\times {10}^{-3}$
$m_{reel}\left(NH_3\right)=720\ tonnes$