L'ammoniac, un futur carburant : un long exercice de chimie

Le premier exercice du bac 2024 Centres étrangers 1 Jour 2, noté sur 9 points, part d'un enjeu d'actualité : utiliser l'ammoniac comme carburant pour les transports, en le fabriquant à partir de dihydrogène produit par électrolyse de l'eau. En dix-sept questions, le sujet couvre la structure des molécules, les réactions acide-base, un titrage pH-métrique, l'avancement d'une réaction, l'électrolyse et un calcul de production industrielle. C'est l'exercice le plus long de l'épreuve : il faut y avancer avec méthode.

Les passages clés, question par question

Q1 et Q2 : structure et solubilité

L'azote possède 5 électrons de valence ; avec les trois hydrogènes, on compte 8 électrons, soit 4 doublets : trois liaisons N-H et un doublet non liant. Oublier ce doublet est l'erreur la plus fréquente. Pour la solubilité, la différence d'électronégativité de 0,84 rend la liaison N-H polarisée, mais c'est la géométrie pyramidale qui rend la molécule polaire. Une espèce polaire se dissout bien dans l'eau, elle aussi polaire, et des liaisons hydrogène s'établissent entre les deux molécules.

Q3 à Q6 : l'ammoniac, une base

Une base de Brönsted capte un ion H⁺. Face à l'ammoniac, l'eau joue le rôle d'acide : il se forme NH₄⁺ et HO^-, et non H₃O⁺. La solution devient basique et le BBT prend sa teinte bleue. Avec un pH de 11,0 supérieur au pK_A de 9,2, le diagramme de prédominance montre que NH₃ prédomine.

Q7 à Q9 : le titrage

La réaction support s'écrit avec une flèche simple, les ions chlorure étant spectateurs. La méthode des tangentes donne V_E = 10,0 mL et un pH à l'équivalence voisin de 5,5 : seul le rouge de méthyle, de zone de virage 4,2 à 6,2, convient. À l'équivalence, C_B × V_B = C_A × V_E, d'où C_B = 5,0 × 10^-2 mol/L.

Q10 et Q11 : synthèse et avancement

L'équation N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃ conduit à x_f = 0,40 mol. Le piège est dans l'avancement maximal : les quantités initiales sont égales, mais le dihydrogène est consommé trois fois plus vite, il est limitant et x_max = 2,0 mol. Le taux d'avancement vaut 0,20 : la transformation n'est pas totale.

Q12 à Q16 : l'électrolyse de l'eau

Le courant sort par la borne + du générateur, les électrons circulent en sens inverse. L'électrode reliée à la borne - est le siège d'une réduction qui produit du dihydrogène ; l'autre est le siège de l'oxydation de l'eau en dioxygène. Le bilan 2 H₂O → 2 H₂ + O₂ est confirmé par le rapport des volumes recueillis, 4,0 mL et 2,0 mL. Avec I = 0,16 A pendant 200 s, Q = 32 C, soit 3,3 × 10^-4 mol d'électrons, qui donnent 4,0 mL de dihydrogène, à condition de ne pas oublier de diviser par 2.

Q17 : la question ouverte

Il faut enchaîner masse de dihydrogène, quantité de matière, stœchiométrie, rendement de 20 % et masse d'ammoniac. On obtient environ 730 tonnes par an, très peu devant les 180 millions de tonnes produites dans le monde. Attention : une tonne vaut 10⁶ g.

Conseils pour réussir

Convertissez systématiquement les durées en secondes et les masses en grammes, gardez les valeurs intermédiaires en mémoire et n'arrondissez qu'à la fin. Pour la question ouverte, annoncez votre plan avant de calculer : une démarche claire est valorisée même si le résultat n'est pas atteint.