Le dioxyde de carbone, un acide doux pour traiter les eaux
Le troisième exercice du Bac S 2014 Antilles-Guyane rattrapage vaut 5 points, soit environ 50 minutes. Une eau usée basique, modélisée par une solution S d'hydroxyde de sodium, doit être neutralisée avant rejet, avec un pH autorisé entre 6,5 et 8,5. Deux réactifs sont comparés à concentration égale : l'acide chlorhydrique et une solution de dioxyde de carbone. La seconde partie est une synthèse de documents sur la réduction et la valorisation du CO2.
Les deux équations de neutralisation (questions 1.1 à 1.3)
Avec l'acide chlorhydrique, l'ion oxonium réagit avec l'ion hydroxyde pour donner deux molécules d'eau. Les ions sodium et chlorure sont spectateurs et ne figurent pas dans l'équation ; écrire HCl est une erreur, puisque cet acide est entièrement dissocié en solution. Pour le dioxyde de carbone, il faut d'abord savoir quelle espèce carbonatée prédomine à l'équivalence. Sur la courbe, le saut de pH se situe à 20 mL et la méthode des tangentes donne un pH voisin de 8,3. Ce pH est compris entre pKA1 = 6,4 et pKA2 = 10,3 : l'ion hydrogénocarbonate HCO3- prédomine. L'équation s'écrit donc avec formation de HCO3- et non de l'ion carbonate. Avec l'ion carbonate, le volume équivalent serait de 10 mL et non de 20 mL.
Comparer les équivalences (question 1.4)
Les deux volumes équivalents sont égaux, 20 mL : chaque réaction consomme une mole d'acide par mole d'ions hydroxyde et les deux solutions ont la même concentration. Les pH diffèrent : 7,0 avec l'acide chlorhydrique, car il ne reste que de l'eau et des ions spectateurs ; environ 8,3 avec le dioxyde de carbone, car l'ion hydrogénocarbonate a des propriétés basiques. Ce pH est proche de la moyenne des deux pKA. Dans les deux cas, l'eau à l'équivalence respecte la norme de rejet.
Deux gouttes de trop (question 1.5)
Il faut annoncer une hypothèse : deux gouttes représentent environ 0,1 mL. Entre 19,9 et 20,1 mL, la courbe de l'acide chlorhydrique est presque verticale et le pH varie d'environ 3 unités, ce qui le fait sortir de l'intervalle autorisé. Avec le dioxyde de carbone, le pH ne varie que d'environ 0,2 unité et reste dans la norme même pour un excès de plusieurs millilitres. La neutralisation par le CO2 est la plus adaptée, car elle écarte le risque de surdosage.
La synthèse de documents (partie 2)
La synthèse de 15 à 20 lignes suit le plan de la problématique : réduire, puis valoriser. Réduire, c'est émettre moins grâce à la maîtrise de la consommation d'énergie, puis capter et stocker le CO2 des grands sites industriels. Valoriser, c'est l'utiliser comme acide doux pour les eaux usées, comme solvant supercritique, comme réactif de synthèse pour l'acide benzoïque ou l'urée, ou encore comme nourriture pour des microalgues productrices de biocarburants. Chaque idée doit être rattachée à son document.
Pièges et conseils
Justifiez toujours la prédominance par la valeur du pH lue sur la courbe comparée aux pKA. Dans la synthèse, évitez de développer l'effet de serre ou de résumer les documents un par un : un plan clair, une introduction qui pose le problème et une conclusion qui y répond font la différence.