L'acidification des océans : chimie acide-base et satellite d'observation

Le deuxième exercice du bac S 2013 de Nouvelle-Calédonie est le plus important de l'épreuve : 9 points, soit environ une heure trente de travail. Il traite d'un enjeu environnemental majeur, l'acidification des océans provoquée par l'augmentation du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Les deux premières parties relèvent de la chimie acide-base et de l'exploitation de documents ; la troisième bascule vers la mécanique avec le satellite IBUKI, chargé de mesurer les gaz à effet de serre.

Partie 1 : du CO₂ atmosphérique au pH de l'eau

La première question demande d'exploiter des courbes : la teneur en CO₂ de l'air augmente depuis 1958, la pression de CO₂ dans l'océan passe d'environ 328 à 360 µatm entre 1990 et 2008, tandis que le pH baisse d'environ 8,11 à 8,07. Attention, une des courbes est tracée sans souci d'échelle : le pH se lit sur l'axe de droite. Il faut ensuite construire un raisonnement en chaîne avec les documents. La loi de Henry relie la concentration du gaz dissous à sa pression partielle ; plus de CO₂ dans l'air, c'est donc plus de CO₂ dissous. Cet acide forme des ions oxonium, et comme pH = -log[H₃O⁺], le pH diminue. L'océan reste basique : il devient seulement un peu moins basique.

La question 1.2.2 illustre le caractère logarithmique de l'échelle de pH. Le rapport des concentrations vaut 10^0,1 = 1,26 : une baisse de 0,1 unité de pH correspond à une hausse de 26 % des ions oxonium, soit environ 30 %. Le piège consiste à calculer la variation relative du pH lui-même, qui ne répond pas à la question.

Partie 2 : diagramme de distribution et coquilles calcaires

Sur le diagramme de distribution, le pKa d'un couple se lit à l'abscisse du croisement des courbes de l'acide et de sa base : pKa₁ ≈ 6,3 pour le couple CO₂/HCO₃^- et pKa₂ ≈ 10,3 pour le couple HCO₃^-/CO₃^2-. Le diagramme de prédominance s'en déduit : CO₂ dissous en dessous de 6,3, ion hydrogénocarbonate entre 6,3 et 10,3, ion carbonate au-delà. À pH 8,1, la lecture donne α₁ ≈ 0,02, α₂ ≈ 0,97 et α₃ ≈ 0,01 ; les deux petites valeurs sont peu précises, un seul chiffre significatif suffit. Entre pH 8,2 et 8,1, la courbe de α₂ est presque horizontale : sa valeur n'a pratiquement pas changé.

La conséquence pour les organismes marins se justifie avec le document 5 : un excès de CO₂ dissous déplace l'équilibre dans le sens de la dissolution du carbonate de calcium. Les coquilles s'amincissent et se fragilisent. Une justification attendue nomme le document, cite l'équation et fait le lien avec la question.

Partie 3 : la période du satellite IBUKI

Le schéma doit montrer la force gravitationnelle appliquée au satellite et dirigée vers le centre de la Terre ; faire partir la flèche du centre de la Terre représenterait l'autre force du couple. Le calcul de la période suit une démarche classique : système, référentiel géocentrique, bilan des forces, deuxième loi de Newton, puis accélération centripète v²/r. On obtient T = 2π√(r³/(GM_T)), avec r = R_T + z = 7,047 × 10⁶ m, d'où T = 5,89 × 10³ s, environ 98 min. Les erreurs typiques : prendre l'altitude au lieu du rayon de l'orbite, ou garder des kilomètres.

Conseils pour réussir cet exercice

Prenez le temps de lire les documents avant de répondre et citez-les explicitement. Rédigez les raisonnements en chaîne avec des connecteurs logiques et détaillez chaque étape de la démonstration mécanique, comme le demande l'énoncé. Un exercice complet pour réviser le pH, les pKa et le mouvement circulaire des satellites.