Asie 2025 Sujet 1
Exercice 2 – (5 points) – Durée 0h53 – Calculatrice autorisée
Sujet n°25-PYCJ1JA1
L’azote ammoniacal est souvent le principal indicateur chimique de pollution directe d’une eau de rivière à la suite d’un rejet polluant. C’est en détectant la présence d’azote ammoniacal que l’on peut situer le long d’un cours d’eau les rejets d’eaux usées dus, entre autres, aux déjections humaines. Dans les eaux, la présence d’azote ammoniacal ne doit pas dépasser 0,10 mg·L−1.
L’objectif de cet exercice est de déterminer si un échantillon d’eau de rivière est pollué par l’azote ammoniacal.
Données :
- Numéros atomiques : Z(N) = 7 et Z(H) = 1
- Masses molaires atomiques : M(N) = 14,0 g·mol−1 M(H) = 1,0 g·mol−1
- Couples acido-basiques :
- ammonium / ammoniaque NH4+(aq) / NH3 (aq) pKA1 = 9,22
- eau / ion hydroxyde H2O (𝓁) / HO–(aq) pKA2 = 14,0
- Conductivités molaires ioniques 𝜆0(en mS·m2·mol−1)
| NH4+(aq) | Na+(aq) | HO–(aq) |
| 7,35 | 5,01 | 19,8 |
Dans l’eau, en fonction du pH et de la température, l’azote ammoniacal se rencontre sous deux formes : l’ion ammonium NH4+(aq) et l’ammoniac aqueux NH3 (aq).
On étudie un échantillon d’eau prélevé à 20 °C dans une rivière. Son pH est égal à 7,2.
Q1- Définir un acide selon Brønsted.
Un acide est une espèce capable de céder un proton H+.
Q2- Établir le schéma de Lewis de l’ammoniac.
Z(N) = 7 : Configuration électronique de l’atome d’azote 1s22s22p3. L’atome d’azote possède 2+3=5 électrons de valence. Il fait 3 doublets liants et 1 doublet non liant.
Z(H) = 1 : Configuration électronique de l’atome d’hydrogène 1s1. L’atome d’hydrogène possède 1 électrons de valence. Il fait 1 doublet liant.
Schéma de Lewis de l’ammoniac :
Q3- Représenter le diagramme de prédominance du couple ion ammonium/ ammoniaque.
Diagramme de prédominance du couple ion ammonium / ammoniaque :
Q4- Identifier, en justifiant, l’espèce ammoniacale prédominante dans l’échantillon prélevé.
pH=7,2 : pH est inférieur à pKA1
NH4+ est l’espèce ammoniacale prédominante dans l’échantillon prélevé.
Dans la suite de l’exercice, seul l’ion ammonium sera pris en compte dans l’analyse de l’échantillon prélevé.
On réalise un titrage par suivi conductimétrique d’un volume V = 200,0 mL de l’échantillon prélevé.
Pour le titrage, on prépare 50,0 mL d’une solution titrante S de concentration en quantité de matière c1 = 3,50 ×10−4 mol·L−1 en hydroxyde de sodium (Na+(aq), HO–(aq)) en diluant dix fois une solution mère S0 disponible au laboratoire.
Q5- Choisir, en justifiant, la verrerie utilisée pour mettre en œuvre la dilution de la solution S0 parmi la liste de matériel à disposition :
- un bécher
- un erlenmeyer de 50 mL
- une fiole jaugée de 50,0 mL
- des pipettes jaugées : 5,0 mL ; 10,0 mL ; 50,0 mL
- des éprouvettes graduées de 5 mL et 10 mL
D’après l’énoncé : « on prépare 50,0 mL d’une solution titrante S …. en diluant dix fois une solution mère So disponible au laboratoire. »
$$F=\frac{V_1}{V_0}$$
$$F\times V_0=V_1$$
$$V_0=\frac{V_1}{F}$$
$$V_0=\frac{50}{10}$$
$$V_0=5,0\ {\rm mL}$$
On choisit :
– une fiole jaugée V1=50 mL
– une pipette jaugée V0=5 mL
Après chaque ajout de solution titrante S, on mesure la conductivité 𝜎 de la solution. La figure 1 ci-après donne l’évolution de la conductivité 𝜎 en fonction du volume V1 de solution titrante S.
Figure 1 : Courbe expérimentale du titrage conductimétrique de l’échantillon d’eau L’équation de la réaction support du titrage est la suivante :
NH4+(aq) + HO–(aq) ⟶ NH3 (aq) + H2O (𝓁)
Q6- Justifier sans calcul l’évolution de la courbe de la figure 1 avant et après l’équivalence.
Avant l’équivalence :
$\left[{\rm NH}_4^+\right]$ diminue car il est dans la solution titrée et il réagit.
$\left[HO^-\right]$ est nulle car les ions $HO^-$ sont en défaut avant l’équivalence.
$\left[{\rm Na}^+\right]$ augmente car les ions ${\rm Na}^+$ sont spectateurs et ajoutés au cours du titrage.
| Ions | Avant l’équivalence |
| NH4+ | ↘ |
| HO– | 0 |
| Na+ | ↗ |
Après l’équivalence :
$\left[{\rm NH}_4^+\right]$ est nulle car ils ont tous été consommés.
$\left[HO^-\right]$ augmente car les ions $HO^-$ sont en excès après l’équivalence et ils ne réagissent plus.
$\left[{\rm Na}^+\right]$ augmente car les ions ${\rm Na}^+$ sont spectateurs et ajoutés au cours du titrage.
| Ions | Après l’équivalence |
| NH4+ | 0 |
| HO– | ↗ |
| Na+ | ↗ |
Q7- Déterminer la valeur du volume V1E d’hydroxyde de sodium versé à l’équivalence en explicitant la méthode utilisée.
La valeur du volume à l’équivalence V1E se lit à l’intersection des deux droites :
Graphiquement V1E=10,5 mL
Q8- Indiquer si l’échantillon d’eau de rivière est pollué par l’azote ammoniacal.
Pour répondre à cette question, 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.
$${\rm NH}_4^+(aq)+{\rm HO}^-(aq)\rightarrow{\rm NH}_3(aq)+H_2O(l)$$
À l’équivalence :
$$\frac{n_{{\rm NH}4^+}^i}{1}=\frac{n{HO^-}^{eq}}{1}$$
$$c\times V=c_1\times V_{1E}$$
$$c=\frac{c_1\times V_{1E}}{V}$$
$$c=\frac{3,50\times 10^{-4}\times 10,5\times 10^{-3}}{200,0\times 10^{-3}}$$
$$c=1,84\times 10^{-5}\ {\rm mol.L}^{-1}$$
D’après le sujet : « Dans les eaux, la présence d’azote ammoniacal ne doit pas dépasser $0,10 mg.L^{-1}$. »
Calculons la concentration massique en azote ammoniacal dans l’échantillon prélevé.
$$c_m=c\times M$$
$$c_m=1,84\times 10^{-5}\times (14,0+4\times 1,0)$$
$$c_m=3,3\times 10^{-4}\ {\rm g.L}^{-1}$$
$$c_m=0,33\ {\rm mg.L}^{-1}$$
La concentration massique en azote ammoniacal dans l’échantillon prélevé est supérieure à la limite $0,10 mg.L^{-1}$. Ainsi, l’échantillon d’eau de rivière est pollué par l’azote ammoniacal.