CO2 dans un aquarium : acide-base et titrage pH-métrique
Cet exercice de 5 points, à traiter en 50 minutes environ, est réservé aux candidats qui n'ont pas choisi la spécialité. Il s'intéresse au dioxyde de carbone dissous dans l'eau d'un aquarium, indispensable aux plantes mais à doser avec soin pour les poissons. Il fait travailler les couples acide-base et leurs pKA, les diagrammes de distribution et de prédominance, un titrage suivi par pH-métrie et le calcul d'une concentration massique.
Partie 1 : les espèces du dioxyde de carbone en solution
La question 1.1 demande de lire les pKA sur le diagramme de distribution. Quand l'acide et la base d'un couple sont en proportions égales, pH = pKA : on lit l'abscisse du croisement des deux courbes à 50 %. On retrouve pKA1 = 6,4 et on lit pKA2 = 10,3. Le piège est de lire le sommet de la courbe de l'ion hydrogénocarbonate, vers 8,3.
En 1.2, le diagramme de prédominance s'en déduit : (CO2, H2O) pour un pH inférieur à 6,4, HCO3- entre 6,4 et 10,3, CO32- au-delà. L'ion hydrogénocarbonate est amphotère. La question 1.3 est qualitative : le dioxyde de carbone dissous est un acide qui cède un ion H+ à l'eau, la concentration en ions oxonium augmente et le pH diminue.
Partie 2 : le titrage de l'eau de l'aquarium
La question 2.1 réclame un schéma légendé du montage : burette contenant l'acide chlorhydrique (solution titrante), bécher contenant 100,0 mL d'eau de l'aquarium (solution titrée), sonde reliée au pH-mètre, agitateur magnétique. La nature des deux solutions doit apparaître, pas seulement le nom de la verrerie.
En 2.2, le pH initial vaut 7,4 : l'espèce prédominante est HCO3-. La méthode des tangentes parallèles donne le point d'équivalence, VE = 7,2 mL et un pH voisin de 4,4, où prédomine (CO2, H2O). L'équation support du titrage, en 2.3, s'en déduit : l'ion hydrogénocarbonate capte un ion H+ de l'ion oxonium. Les ions chlorure, spectateurs, ne figurent pas, et la flèche est simple car la réaction est totale.
La question 2.4 applique la relation à l'équivalence : [HCO3-] × V = cA × VE, d'où une concentration de 3,6 × 10-3 mol·L-1. On divise bien par le volume de la prise d'essai, 100,0 mL.
En 2.5, la relation fournie, avec pKA1 = 6,4 et le pH de l'aquarium, 7,4, donne une concentration en CO2 dissous de 3,6 × 10-4 mol·L-1, puis une concentration massique de 1,6 × 10-2 g·L-1, soit 16 mg·L-1. Deux erreurs fréquentes : utiliser le pH à l'équivalence au lieu de celui de l'aquarium, ou inverser l'exposant.
Enfin, en 2.6, la lecture du tableau montre que, pour un pH de 7,4, les conditions optimales vont de 11 à 23 mg·L-1 : avec 16 mg·L-1, les conditions sont optimales. Pensez à convertir en mg·L-1 avant de comparer.
Conseils
Cet exercice enchaîne des questions liées : une erreur de lecture en 2.2 se répercute jusqu'à la fin. Soignez les lectures graphiques, citez la méthode employée et vérifiez la cohérence de vos espèces prédominantes avec les pKA. C'est un excellent entraînement au titrage pH-métrique.