Dessalement par les végétaux

Sujet avec enseignement de mathématiques spécifique

Enseignement scientifique première

Durée 1h – 12 points – Thème « Une longue histoire de la matière »

L’augmentation croissante de la population mondiale et le réchauffement climatique global posent le problème de la gestion de l’eau douce pour les populations humaines. Parmi les techniques à l’étude, on cherche à exploiter l’eau salée par l’utilisation de certains végétaux.

Un cabinet parisien a été lauréat d’un concours en 2010 en proposant le projet

« Freshwater Factory ». Il s’agissait d’une tour de 280 mètres de haut, abritant des centaines de Palétuviers, arbres tropicaux peuplant les mangroves (forêts poussant au bord ou dans l’eau très salée). Si le projet avait été réalisé, il était attendu que cette tour produise 30 000 litres d’eau douce par jour.

L’objectif de ce sujet est d’étudier la capacité du Palétuvier à extraire le sel de l’eau.

Partie 1 – Étude des cristaux présents sur les feuilles du Palétuvier.

La photographie ci-dessous présente une feuille de Palétuvier sur laquelle on observe des cristaux.

Source : d’après https://ocean.si.edu/ecosystems/coasts-shallow-water/crystals-salt

Document 1 – Caractéristiques des cristaux échantillonnés sur les feuilles de Palétuvier

Des mesures expérimentales par des techniques physiques effectuées sur les cristaux provenant des feuilles de Palétuvier ont permis de déterminer une grandeur caractéristique, le côté de la maille a de valeur 5,62 × 10^-10 m.

La perspective cavalière d’une maille des cristaux présents sur les feuilles de Palétuvier est donnée ci-dessus. La masse de chaque cation de ce cristal est égale à 3,68 × 10^-26 kg.

La masse de chaque anion des cristaux est égale à 5,85 × 10^-26 kg. La maille contient 4 cations et 4 anions.

Source personnelle

1 – Justifier que la structure des cristaux provenant des feuilles de Palétuvier est celle d’un solide cristallin.

Les ions sont assemblés de manière régulière. Ainsi, la structure des cristaux provenant des feuilles de Palétuvier est celle d’un solide cristallin.

2 – À partir du document 1, montrer que la valeur de la masse totale des ions contenus dans une maille, notée m_tot est de 3,81 × 10^-25 kg.

D’après le document 1 : « La maille contient 4 cations et 4 anions. »

$m_{tot}=m_{cation\ dans\ une\ maille}+m_{anion\ dans\ une\ maille}$

$m_{tot}=4 \times m_{cation}+4 \times m_{anion}$

$m_{tot}=4 \times 3,68\times{10}^{-26}+4 \times 5,85 \times {10}^{-26}$

$m_{tot}=3,81 \times {10}^{-25}\ Kg$

3 – À partir du document 1, calculer la valeur du volume, notée V, de la maille des cristaux de la feuille de Palétuviers.

$V_{maille}=a^3$

$V_{maille}=\left(5,62 \times {10}^{-10}\right)^3$

$V_{maille}=1,78 \times {10}^{-28}\ m^3$

4 – En déduire que la masse volumique, notée ρ, des cristaux de Palétuviers a pour valeur 2,14 × 10³ kg.m^-3.

$\rho=\frac{m_{tot}}{V_{maille}}$

$\rho=\frac{3,81 \times {10}^{-25}}{1,78 \times {10}^{-28}}$

$\rho=2,14 \times {10}^3Kg.m^{-3}$

Les encadrements des valeurs des masses volumiques de trois cristaux sont donnés dans le tableau ci-dessous :

Cristal	Iodure de potassium KI	Hydroxyde de sodium NaOH	Chlorure de sodium NaCl
Couleur du cristal	jaune clair	blanche	blanche
Solubilité dans l’eau à 20°C (g.L-1)	1430	1090	358,5
𝜌 × 10³ (en kg.m^-3)	3,08 ≤ 𝜌 ≤ 3,16	2,09 ≤ 𝜌 ≤ 2,17	2,13 ≤ 𝜌 ≤ 2,21

5 – Expliquer si la valeur de la masse volumique calculée précédemment est suffisante pour identifier le cristal.

La masse volumique trouvée est comprise dans l’intervalle de celle de l’hydroxyde de sodium NaOH ou du chlorure de sodium NaCl.

Ainsi, la valeur de la masse volumique calculée précédemment est insuffisante pour identifier le cristal.

6 – Pour déterminer la nature des cristaux présents sur les feuilles de Palétuvier, recopier la proposition qui relève d’une étape d’une démarche scientifique (expérimentale) permettant d’identifier le cristal parmi les propositions 1 à 4 ci- dessous. Justifier votre réponse.

Proposition 1 : on observe, on sent puis on goûte les cristaux. Si le goût est salé et amer et que les cristaux sont jaunes, alors il s’agit de cristaux d’iodure de potassium.

Proposition 2 : placer sur une balance 1 L d’eau à 20°C. Dissoudre jusqu’à saturation des cristaux dans 1 L d’eau. Si la masse des cristaux pesée est de 360 g alors il s’agit de cristaux de chlorure de sodium.

Proposition 3 : prélever un échantillon puis le mettre dans de l’eau. Peser l’ensemble et mesurer sa température. Si la masse totale est de 1090 g et la température est de 20°C alors il s’agit de cristaux d’hydroxyde de sodium.

Proposition 4 : prélever un échantillon de cristaux, le photographier, puis demander à un enseignant sa nature. Si l’enseignant pense qu’il s’agit de cristaux d’hydroxyde de sodium alors les cristaux sont bien ceux d’hydroxyde de sodium.

~~Proposition 1 : on observe, on sent puis on goûte les cristaux. Si le goût est salé et amer et que les cristaux sont jaunes, alors il s’agit de cristaux d’iodure de potassium.~~

On ne goute pas ni ne sentons un produit pour l’identifier. C’est dangereux.

La mesure de la solubilité est un élément qui permet d’identifier le cristal car la solubilité est différente d’un cristal à l’autre.

~~Proposition 3~~ : prélever un échantillon puis le mettre dans de l’eau. Peser l’ensemble et mesurer sa température. Si la masse totale est de 1090 g et la température est de 20°C alors il s’agit de cristaux d’hydroxyde de sodium.

Faux : ne pas confondre la masse volumique de la solution et la solubilité.

~~Proposition 4~~ : prélever un échantillon de cristaux, le photographier, puis demander à un enseignant sa nature. Si l’enseignant pense qu’il s’agit de cristaux d’hydroxyde de sodium alors les cristaux sont bien ceux d’hydroxyde de sodium.

Ce n’est pas un test reposant sur des critères qui caractérisent un échantillon

Partie 2 – Le dessalement de l’eau par les Palétuviers dans le cadre du projet

Document 2 – Principe de la Freshwater Factory

La tour est composée d’une trentaine de sphères transparentes pour une hauteur de 280 mètres. Elle comprend plusieurs centaines de Palétuviers. La structure d’une sphère est présentée dans la figure ci-dessous. Grâce aux marées, l’eau de mer salée monte dans les sphères. Les Palétuviers sont présents dans ces sphères. La figure ci-dessous présente le fonctionnement d’une sphère.

1 : absorption d’eau salée par les racines des Palétuviers ; 2 : circulation de l’eau salée dans la sève de la plante ; 3 : évaporation d’eau et formation des cristaux au niveau des feuilles du Palétuvier ; 4 : liquéfaction de l’eau sur les parois de la sphère ; 5 : récupération d’eau douce dans la sphère.Sources : d’après https://www.dca.archi/projet/freshwater-factory et https://www.dca.archi/pdf.php?url=projet/freshwater-factory

Document 3 – Structure des feuilles de Palétuvier

De fortes concentrations de sels sont toxiques pour les cellules végétales. Les feuilles de Palétuvier possèdent à leur surface des glandes appelées « glandes à sel ». Le document ci-dessous en présente des observations, aux microscopes optique et électronique.

Observation en microscopie optique :

Source : d’après Drennan PM, Berjak P, Lawton JR, Pammenter NW. Ultrastructure of the salt glands of the mangrove, Avicennia marina (Forssk.) Vierh., as indicated by the use of selective membrane staining. Planta. 1987 Oct et Cui, Miaomiao & Wang, Zuankai & Wang, Bin. (2022). Survival Strategies of Mangrove (Ceriops tagal (perr.) C. B. Rob) and the Inspired Corrosion Inhibitor. Frontiers in Materials

Document 4 – Rôle des glandes à sel du Palétuvier

Des études sont réalisées au niveau de ce qui est rejeté (les sécrétions) par les glandes à sel du Palétuvier, présentes au niveau de ses racines et de ses feuilles. Ces sécrétions sont des solutions ioniques salines qui cristallisent par la suite. Les concentrations en sel sont mesurées dans les sécrétions de ces glandes en fonction de la salinité du milieu dans lesquelles plongent les racines du Palétuvier. Les résultats de ces mesures sont indiqués sur la représentation graphique ci- dessous.

Sources : d’après Cheng H, Inyang A, Li CD, Fei J, Zhou YW, Wang YS. Salt tolerance and exclusion in the mangrove plant Avicennia marina in relation to root apoplastic barriers. Ecotoxicology. 2020 Aug;29(6):676-683

7 – Expliquer comment le fonctionnement des Palétuviers permet de produire de l’eau douce dans le cadre de la « Freshwater Factory ».

Vous rédigerez une argumentation organisée à partir des documents 2 à 4 et de vos connaissances en envisageant l’étude à l’échelle des cellules et des organes.

Le document 3 nous montre que les feuilles des Palétuviers sont équipées de glandes à sel. Ces glandes sécrètent des solutions ioniques salines qui cristallisent à la surface des feuilles (document 4). Les Palétuviers s’adaptent à la concentration en sel dans le milieu en augmentant la concentration en sel dans les glandes quand la concentration en sel dans le milieu augmente.

Le document 2 montre comment les Palétuviers ont la capacité d’absorber l’eau de mer salée tout en retenant les sels. L’eau qui s’évapore est une eau douce qui se liquéfie au contact des paroi et est récupéré dans des bac de récupération. Cette eau peut ensuite être collectée et utilisée comme source d’eau potable ou pour d’autres besoins en eau douce.

Ainsi, les des Palétuviers au sein de la « Freshwater Factory » permettent de produire de l’eau douce en grâce à leur mécanismes naturels. Ce procédé est une solution innovante et durable pour répondre aux besoins croissants en eau douce.