Les pluies acides

Métropole Septembre 2025 Sujet 2

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

Sujet n°25-PYCJ2ME3

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(CaCO₃) = 100,1 g·mol^–1 ;
• masse molaire du dioxyde de soufre : M(SO₂) = 64,1 g·mol^–1 ;
• constante des gaz parfaits : R = 8,31 J·K^–1·mol^–1 ;
• masse volumique de l’eau : ρ(eau) = 1,00×10³ g·L^–1 ;
• concentration standard : c° = 1 mol·L^–1 ;
• espèces chimiques carbonées en solution : CO₂(aq), HCO₃ ^–(aq) et CO₃^2–(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 CO₂. La concentration à l’équilibre en dioxyde de carbone dissous dans une eau de pluie non polluée à 25 °C est [CO₂] = 1,3×10^–5 mol·L^–1.

Figure 1. Diagramme de distribution des espèces CO₂(aq), HCO₃ ^–(aq) et CO₃^2–(aq) en solution aqueuse à 25 °C

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 pKA du couple CO₂(aq) /HCO₃ ^–(aq) est voisine de 6,4 à 25 °C.

On suppose que seule la réaction entre le dioxyde de carbone dissous CO₂(aq) et l’eau a lieu et que la concentration en CO₂(aq) à l’équilibre, imposée par le dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère, est toujours égale à 1,3×10^–5 mol·L^–1.

Q3. Donner la relation entre les concentrations des espèces HCO₃ ^– et H₃O⁺ à l’équilibre, notées [HCO ^–] et [H₃O⁺], puis montrer que la constante d’acidité K_A a pour expression :

$$ K_A=\frac{[H_3O^+]^2}{[CO_2]\cdot c^\circ} $$

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 NO et NO₂ qui conduisent à la formation d’acide nitrique HNO₃.

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 S₀ de concentration c₀ = 15,2 mol·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 S₀.

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.

2.  Conséquences des pluies acides

Dans cette partie on se propose d’expliquer la dégradation, par les pluies acides, des bâtiments et des statues construits avec des roches calcaires composées principalement de carbonate de calcium CaCO₃(s).

Afin de simuler l’effet des pluies acides sur les roches calcaires, on fait réagir du carbonate de calcium avec une solution d’acide chlorhydrique. Le protocole décrit ci-dessous est réalisé à une température de 295 K :

• dans une fiole à vide de volume total 330 mL, on verse 50 mL d’une solution d’acide chlorhydrique.

On considère que le volume restant disponible pour du gaz dans la fiole est ainsi de 280 mL ;

• on relie, par un tuyau, la fiole à vide à un manomètre ;
• à la date t = 0, on introduit rapidement dans la fiole à vide 2,0 g de carbonate de calcium solide, on bouche la fiole à vide puis on relève les valeurs de pression indiquées par le manomètre au cours du temps. On considère que l’introduction du carbonate de calcium ne modifie pas le volume disponible pour le gaz.

Figure 2. Schéma du montage expérimental

Les résultats ci-dessous sont donnés pour trois conditions expérimentales différentes :

	Concentration de la solution d’acide chlorhydrique utilisée	État de division du carbonate de calcium	Temps de demi – réaction t1/ 2
Expérience n°1	1,0×10–1 mol·L–1	en poudre	à déterminer
Expérience n°2	2,0×10–1 mol·L–1	en poudre	80 s
Expérience n°3	2,0×10–1 mol·L–1	en morceaux	1,6×103 s

La transformation chimique ayant lieu lors de chacune des expériences peut être modélisée par la réaction, supposée totale, d’équation :

CaCO₃(s) + 2 H₃O⁺(aq) →  CO₂(g) + Ca²⁺(aq) + 3 H₂O(ℓ)

Les résultats obtenus permettent de tracer la courbe d’évolution de la pression P_CO2 de dioxyde de carbone gazeux formé en fonction du temps t pour l’expérience n°1. Les résultats sont présentés sur la figure 3. Cette pression tient compte de l’estimation des pertes liées à la manipulation.

Dans les différentes conditions expérimentales, le dioxyde de carbone gazeux est assimilé à un gaz parfait dont l’expression de la pression s’écrit :

$$ P_{CO_2}=\frac{n_{CO_2} \cdot R \cdot T}{V} $$

où P_CO2 s’exprime en Pa, n_CO2 s’exprime en mol, T s’exprime en K et V s’exprime en m³.

Figure 3. Évolution de la pression P_CO2 de dioxyde de carbone gazeux en fonction du temps t pour l’expérience n°1

Q7. Montrer que la quantité de matière théorique maximale de dioxyde de carbone gazeux pouvant être obtenue dans les conditions de l’expérience n°1 est n_CO2,max = 2,5×10^–3 mol.

Q8. Estimer la quantité de matière de dioxyde de carbone gazeux réellement présente dans la fiole à vide dans l’état final lors de l’expérience n°1. Commenter le résultat obtenu.

Q9. Estimer, en expliquant la démarche, le temps de demi-réaction de la transformation chimique mise en œuvre dans l’expérience n°1.

Q10. En exploitant les résultats des trois expériences réalisées, indiquer un facteur qui influence la cinétique de la détérioration des bâtiments et des statues.

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 SO2, 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 SO2, 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 SO2 dans l’air en France.

Objectif de qualité	50 µg·m–3	en moyenne annuelle
Valeur limite	125 µg·m–3	en moyenne journalière à ne pas dépasser plus de 3 jours par an
Seuil d’information et de recommandation	300 µg·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 SO2 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 H₂O₂(aq). Le volume total d’air ainsi utilisé est de 18,5 m³. On obtient une solution aqueuse notée Sa ; 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 H₃O⁺ de la solution Sa par une solution aqueuse S_b d’hydroxyde de sodium de concentration égale à c_b = 1,0×10^–2 mol·L^–1. Le volume de solution S_b versé à l’équivalence du titrage est V_E = 4,0 mL.

Q11. La transformation chimique ayant lieu lors de l’étape 1 est totale et peut être modélisée par la réaction d’équation :

H₂O₂(aq) + SO₂(aq) + 2 H₂O(ℓ) →  2 H₃O⁺(aq) + SO₄^2–(aq)

Sachant que le peroxyde d’hydrogène a été introduit en excès, déterminer la relation entre la quantité de matière n(SO₂) de dioxyde de soufre présent dans l’air analysé et la quantité de matière n(H₃O⁺) d’ions oxonium contenus dans la solution S_a.

Q12. En considérant que la concentration en masse du dioxyde du soufre dans l’air n’a pas varié pendant toute la durée de l’étape 1, déterminer si les 18,5 m³ 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.