L'aquarium récifal : un exercice long qui balaie la chimie de terminale

Premier exercice du sujet 2 de Métropole de mars 2021, « L'aquarium récifal » est l'exercice commun de l'épreuve : il compte pour 10 points et se traite en 1 h 45 environ. Il enchaîne quatre parties sur un même fil conducteur, l'entretien d'un bassin d'eau de mer : la chimie acide-base du dioxyde de carbone dissous, le contrôle de la salinité par titrage conductimétrique, la synthèse d'un médicament, le praziquantel, et l'élimination d'un colorant par du charbon actif suivie par spectrophotométrie.

Partie 1 : le pH de l'aquarium

Pour faire baisser un pH trop élevé, il faut apporter un acide : le diffuseur de CO₂, décrit plus loin dans l'énoncé, en fournit un. Lire tout le sujet avant de répondre aide donc dès la première question. Une solution tampon se définit par trois situations : son pH varie peu lors d'un ajout modéré d'acide, d'un ajout modéré de base ou d'une dilution modérée. Écrire que le pH « ne varie pas » est une erreur classique. La question 1.3 demande de justifier la faible solubilité du CO₂ : ses liaisons C=O sont polarisées, mais la molécule linéaire et symétrique est apolaire, alors que l'eau, coudée, est polaire. C'est la géométrie qui tranche. Avec les couples donnés, l'ion hydrogénocarbonate apparaît à la fois comme acide et comme base : c'est une espèce amphotère. Le diagramme de prédominance, avec des frontières à pKA1 = 6,4 et pKA2 = 10,3, montre qu'à pH 8,1 c'est HCO₃⁻ qui prédomine. Enfin, l'apport de CO₂ abaisse le pH et transforme des ions carbonate en ions hydrogénocarbonate : moins d'ions CO₃²⁻ disponibles, donc moins de calcaire pour les coraux.

Partie 2 : le titrage conductimétrique

Avant l'équivalence, chaque ion Cl⁻ précipité est remplacé par un ion NO₃⁻, un peu moins conducteur : la pente est faible et négative. Après, les ions Ag⁺ et NO₃⁻ s'accumulent et la conductivité augmente nettement. L'intersection des deux droites donne un volume équivalent d'environ 10,8 mL, d'où une concentration en masse de 19,2 g/L en ions chlorure, sous la limite de 19,3 g/L : il faut traiter l'eau. Le piège est d'oublier le facteur 10 de la dilution ou de compter l'eau distillée ajoutée dans le volume titré.

Partie 3 : la synthèse du praziquantel

Un seul atome de carbone et un groupe carbonyle porté par un carbone lié à un hydrogène : B est le méthanal. Pour le réactif C, il faut compléter chaque sommet du cycle et ne pas mettre un CH₂ sur le carbone qui porte le groupe COOH, ce qui donne C₇H₁₂O₂. Un bilan élément par élément identifie le produit F : c'est de l'eau. Le mélange étant stœchiométrique, le rendement de l'étape 2 vaut 98,8 %. Pour le protocole, l'opération a associe dissolution et transformation chimique, l'opération c une séparation ; une mesure de température de fusion suffit comme méthode d'identification.

Partie 4 : charbon actif et bleu de méthylène

La filtration retire les grains de charbon, qui fausseraient l'absorbance. La droite d'étalonnage donne 15 et 2 mg/L : la masse adsorbée se calcule avec la différence des deux concentrations, et l'on trouve 6,5 mg par gramme de charbon, voisin de 7 mg. Pour un bassin de 8 000 L, il faut entre 1,1 et 2,3 kg de charbon actif selon la dose de colorant.

Conseils pour réussir

Les quatre parties sont indépendantes : en cas de blocage, passez à la suivante. Justifiez chaque lecture graphique, convertissez les unités avant les calculs et gardez trois chiffres significatifs quand les données le permettent. Le corrigé détaillé reprend chaque question avec les calculs posés et les pièges signalés.