Capter le CO₂ d'une cimenterie : un exercice de chimie de 9 points

Le premier exercice du bac 2026 de physique-chimie en Amérique du Nord (jour 1) compte 9 points sur 20 : il représente presque la moitié de la note. Il suit le parcours du dioxyde de carbone dans une cimenterie, d'abord capté par une solution d'éthanolamine, puis valorisé en méthanol. Ses 18 questions balaient une grande partie du programme de chimie de terminale : chimie organique, acide-base, mécanisme réactionnel, titrage et bilan énergétique.

Partie 1 : l'éthanolamine, une base faible

On commence par entourer les deux groupes caractéristiques, hydroxyle et amine, et par nommer les familles associées, alcool et amine. Le barème attend les deux : écrire « groupe alcool » coûte le point. La vérification de la concentration C = 3,3 mol·L^-1 passe par la masse d'un litre de solution, puis par la masse d'éthanolamine qu'il contient. Attention aux unités : la masse volumique de l'eau est donnée en g·mL^-1, il faut donc exprimer le volume en millilitres.

Le diagramme de prédominance place la frontière à pH = pK_A = 9,5. À pH = 11, la forme basique prédomine, ce qui ne veut pas dire qu'elle est seule. Les questions 5 à 8 construisent ensuite le taux d'avancement : τ = x_f/x_max, x_max = C × V, puis la démonstration de l'expression faisant intervenir K_e, c⁰ et 10^-pH. Le piège classique consiste à oublier le facteur c⁰ dans [H₃O⁺]. Le calcul donne τ = 3,0 × 10^-4, très inférieur à 1 : l'éthanolamine est bien une base faible, malgré un pH élevé.

Partie 2 : le mécanisme de captage

L'intermédiaire réactionnel est l'espèce formée à l'étape 1 et consommée à l'étape 2 ; il ne faut pas le confondre avec un catalyseur, qui est consommé puis régénéré. Les flèches courbes partent toujours d'un doublet : le doublet non liant de l'azote vers l'atome de carbone de CO₂, appauvri en électrons, puis un doublet de la liaison C=O vers l'oxygène. Vérifier les charges obtenues, N⁺ et O^-, permet de contrôler sa réponse.

Partie 3 : titrer une solution usagée

La dilution au 50^e se fait avec une pipette jaugée de 5,0 mL et une fiole jaugée de 250,0 mL. L'équivalence se lit au minimum de la courbe dérivée, ici V_E = 14,3 mL : le pH diminue pendant ce titrage, d'où un minimum et non un maximum. La question 14, à prise d'initiative, enchaîne la relation à l'équivalence, le facteur de dilution et le calcul du titre massique, qui vaut environ 17 %. Oublier le facteur 50 est l'erreur la plus fréquente. Le commentaire doit s'appuyer sur les deux lignes du tableau du sujet : efficacité de captage et tolérance à la corrosion.

Partie 4 : produire le méthanol

L'équation CO₂ + 3 H₂ → CH₃OH + H₂O s'ajuste en vérifiant l'hydrogène en dernier. Pour la durée de production des 37 500 tonnes de dihydrogène, garder l'énergie en kW·h et la puissance en kW donne directement des heures : environ 6,3 × 10³ h. Comparée aux 8 760 h d'une année, cette durée montre que la puissance de 330 MW est suffisante.

Conseils pour réussir cet exercice

Soignez les chiffres significatifs, rédigez les démonstrations étape par étape et annoncez votre démarche dans les questions ouvertes : une démarche claire rapporte des points, même sans résultat final.