Du chlore dans le réseau d'eau potable : un exercice de spécialité en deux questions

L'exercice de spécialité du bac S 2020 Antilles-Guyane, noté sur 5 points et prévu pour environ 50 minutes, était réservé aux candidats ayant choisi l'enseignement de spécialité physique-chimie. Il porte sur le contrôle du chlore libre dans l'eau du robinet, ajouté pour la désinfecter. Il ne comporte que deux questions, dont un problème ouvert qui demande d'organiser soi-même la démarche.

Question 1 : sous quelle forme se trouve le chlore libre ?

La première question mobilise le diagramme de prédominance. La solution de DPD est tamponnée à pH 6,5 : dans chaque fiole, le pH reste fixé. Ce pH est supérieur à 2,2, il n'y a donc pas de dichlore en solution. Il est inférieur au pKa du couple HOCl/ClO-, qui vaut 7,5 : l'acide prédomine sur sa base. Le chlore libre se trouve donc majoritairement sous forme d'acide hypochloreux HOCl.

La méthode la plus sûre consiste à tracer un axe de pH, à y placer 2,2 et 7,5, puis le pH du milieu. L'erreur classique est d'oublier le rôle de la solution tampon et de raisonner sur le pH de l'eau seule, ou d'inverser les domaines de l'acide et de la base.

Question 2 : la concentration de la solution S3

Avant le problème, une question guidée demande la concentration de la solution étalon S3. Lors d'une dilution, la quantité de chlore libre se conserve : C0 V0 = C3 Vf. Avec 1,50 mL de solution mère à 1,0 × 10^-4 mol/L complétés à 10,0 mL, on obtient C3 = 1,5 × 10^-5 mol/L. Le même calcul fournit les concentrations des cinq solutions étalons.

Le problème : l'eau en sortie d'usine est-elle conforme ?

Le corrigé découpe la résolution en quatre étapes. D'abord, la droite d'étalonnage : les points sont alignés avec l'origine, conformément à la loi de Beer-Lambert, et le coefficient directeur vaut environ 1,64 × 10^4 L/mol. Ensuite, l'absorbance de 0,15 de l'échantillon donne la concentration dans la fiole, environ 9,1 × 10^-6 mol/L.

La troisième étape est le piège principal de l'exercice : la fiole de 10,0 mL contient 1,0 mL de réactif DPD, donc seulement 9,0 mL d'eau analysée. L'eau a été diluée, et sa concentration vaut environ 1,0 × 10^-5 mol/L. Enfin, chaque entité de chlore libre ne contient qu'un atome de chlore : la teneur en masse se calcule avec la masse molaire du chlore, 35,5 g/mol, et non avec celle de HOCl ni avec deux fois celle du chlore. On obtient environ 0,36 mg/L.

Cette teneur dépasse la valeur minimale de 0,3 mg/L imposée en sortie d'usine : l'eau est conforme à la réglementation. Comme l'écart est faible, il est essentiel de garder les valeurs non arrondies dans la calculatrice jusqu'à la comparaison finale.

Conseils pour réussir un problème ouvert

Annoncez vos étapes, écrivez une relation littérale pour chacune, convertissez le résultat dans l'unité de la norme, ici le mg/L, et terminez par une phrase qui répond clairement à la question posée. Un graphique soigné, avec la lecture de l'absorbance reportée sur la droite, valorise la copie. Cet exercice vient de l'ancien enseignement de spécialité, mais toutes les notions utilisées, diagramme de prédominance, dilution, dosage par étalonnage et loi de Beer-Lambert, restent au programme actuel de Terminale : c'est un très bon sujet d'entraînement.