Une piscine naturelle chauffée au bac S Liban 2015

Le deuxième exercice de l'épreuve du Liban 2015 vaut 8 points et demande environ une heure vingt. Il part d'une piscine naturelle : l'eau est chauffée par un chauffe-eau solaire, puis épurée par des plantes. La première partie mêle transferts thermiques et chimie organique autour de l'antigel du circuit, la seconde porte sur le dosage de l'azote par la méthode de Kjeldahl, avec un titrage acide-base suivi au pH-mètre.

Les passages clés, question par question

Partie 1 : le chauffe-eau solaire et son antigel

En 1.1, le capteur reçoit l'énergie du Soleil par rayonnement ; la chaudière d'appoint fournit à l'eau du ballon l'énergie manquante quand l'ensoleillement ne suffit pas. En 1.2, le mono propylène glycol évite que le fluide caloporteur gèle par temps froid : il continue de circuler et ne risque pas de faire éclater les canalisations. La question 1.3 justifie le nom propane-1,2-diol : chaîne de trois carbones, deux groupes hydroxyle, et des indices les plus petits possibles.

La question 1.4 repère un carbone asymétrique : la molécule existe sous forme de deux énantiomères, chiraux, à représenter en Cram. Un mélange racémique s'obtient en mélangeant les deux énantiomères en quantités de matière égales. En 1.5, le spectre de RMN du proton compte quatre signaux : un singulet, deux doublets et un sextuplet, les protons des groupes hydroxyle donnant un même signal sans couplage.

Partie 2 : le dosage de l'azote par la méthode de Kjeldahl

En 2.1, chaque transformation doit être totale pour que tout l'azote de l'échantillon soit dosé. En 2.2, l'ion ammonium cède un proton pour donner l'ammoniac : NH4+ est la forme acide, NH3 la forme basique. La question 2.3 exploite le diagramme de prédominance avec un pKa de 9,2 : à pH 8, l'ion ammonium prédominerait et l'azote ne serait pas entièrement distillé, d'où un résultat sous-estimé, alors qu'à pH 12 l'ammoniac est ultra-majoritaire.

Au début du titrage, le pH vaut environ 10,6 : l'ammoniac est majoritaire ; à la fin, l'ion ammonium l'a remplacé. L'équation support est NH3 + H3O+ → NH4+ + H2O. En 2.4.3, le rouge de méthyle convient car sa zone de virage est dans le saut de pH : la solution passe du jaune au rouge. Enfin, en 2.5, avec un volume équivalent de 10,3 mL, on obtient 14 mg d'azote par litre, sous la norme de 20 mg/L : l'eau est conforme.

Les pièges à éviter

Numéroter la chaîne dans le mauvais sens donne un nom faux, propane-2,3-diol. En RMN, la multiplicité dépend du nombre de protons voisins, pas du nombre de protons du groupe : le CH3 donne ici un doublet. Les ions chlorure, spectateurs, ne figurent pas dans l'équation, écrite avec une flèche simple car la réaction est totale. Le milieu passe de basique à acide : l'indicateur vire de sa teinte basique vers sa teinte acide. En 2.5, on divise par le volume prélevé de 20,0 mL et non par le volume équivalent, en convertissant millilitres et grammes.

Nos conseils

Pour la question ouverte finale, annoncez la démarche : quantité titrée, masse d'azote, puis masse par litre, et terminez par une comparaison explicite avec la norme. Notez enfin que la représentation de Cram, la chiralité et la RMN ne figurent plus au programme actuel de spécialité : la partie acide-base reste, elle, un excellent entraînement.