L'acide formique pour stocker le dihydrogène : un exercice de chimie sur 5 points

L'exercice 2 du bac 2022 de physique-chimie en Asie (jour 2) vaut 5 points, soit environ 53 minutes. Il s'inscrit dans un contexte actuel : le dihydrogène est un vecteur d'énergie prometteur, mais il se stocke mal. L'exercice compare le stockage sous pression à un stockage chimique dans l'acide formique, puis vérifie par conductimétrie la concentration d'une solution d'acide formique préparée par des chercheurs. C'est un exercice très guidé, où les points se gagnent surtout sur la rigueur des unités.

Nommer la molécule (Q1)

La molécule porte un groupe carboxyle : c'est un acide carboxylique, dont le nom s'écrit « acide …oïque ». Sa chaîne ne compte qu'un atome de carbone, d'où le préfixe « méth- ». La méthode est toujours la même : le groupe caractéristique donne la famille et la terminaison, le nombre de carbones donne le préfixe.

Comparer deux modes de stockage (Q2 à Q4)

En Q2, la loi des gaz parfaits montre qu'un litre de dihydrogène à 350 bar et 25 °C contient environ 28 g de gaz, soit 14 mol. Le piège majeur est de laisser la pression en bar, le volume en litre ou la température en degrés Celsius : il faut des pascals, des mètres cubes et des kelvins. En Q3, on raisonne sur un litre d'acide formique pur : la masse volumique de 1,22 g·mL⁻¹ donne 26,5 mol d'acide, et comme une mole d'acide libère une mole de dihydrogène, on obtient 53 g. Erreur fréquente : utiliser la concentration de 7,0 mol·L⁻¹ du document 2, qui concerne une solution aqueuse et non l'acide pur. La Q4 attend deux avantages : l'acide formique est liquide dans les conditions ambiantes et peu inflammable, contrairement au dihydrogène. On peut aussi citer la quantité de dihydrogène plus grande à volume égal.

Conductimétrie et avancement final (Q5 à Q7)

La loi de Kohlrausch s'écrit avec les deux seuls ions présents, les ions oxonium et formiate ; la molécule d'acide, non chargée, n'y figure pas. Comme il se forme autant d'ions de chaque sorte, leurs concentrations valent toutes deux x_f/V₁, à condition de négliger l'autoprotolyse de l'eau. En Q7, avec σ = 144 mS·m⁻¹, on trouve x_f = 3,56 × 10⁻³ mol, à condition d'exprimer V₁ en mètre cube. Les millisiemens se simplifient : inutile de les convertir.

Constante d'acidité et dilution (Q8 et Q9)

L'expression approchée de K_A fournie par le sujet permet d'isoler C₁ = 7,16 × 10⁻² mol·L⁻¹. Cette fois, le volume doit être en litre, car c⁰ est en mol·L⁻¹ : c'est le piège symétrique de la question précédente. La solution S₁ ayant été diluée 100 fois, la solution mère a une concentration C₀ = 7,16 mol·L⁻¹, en accord avec la teneur d'environ 7,0 mol·L⁻¹ annoncée, avec un écart d'environ 2 %. Attention à multiplier, et non diviser, par le facteur de dilution.

Conseils pour réussir

Avant chaque calcul, écrivez les grandeurs avec leurs unités et vérifiez la cohérence avec la constante utilisée. Relisez les documents pour savoir si l'on parle d'acide pur ou de solution. Enfin, comparez toujours votre résultat à la valeur annoncée par l'énoncé : c'est un excellent contrôle.