Contr�le
du dioxyde de carbone dans l'eau d'un aquarium, bac S Nlle Cal�donie
2018.
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L’eau d’un aquarium est
un milieu fragile contenant de nombreuses esp�ces chimiques. Il faut
maintenir la qualit� de l’eau afin d’assurer le bon d�veloppement des poissons et de
leur environnement v�g�tal.
Le dioxyde de carbone �tant essentiel pour la bonne croissance des
plantes d’un aquarium, il est fr�quent d’installer un dispositif qui lib�re ce gaz dans l’eau de l’aquarium,
o� il se dissout. Cependant, en trop grande quantit� dans l’eau, le dioxyde de carbone est toxique pour les
poissons. Il est donc important de contr�ler r�guli�rement la concentration du dioxyde de carbone dans l’eau d’un
aquarium.
L’objectif de cet exercice est de d�terminer la concentration du
dioxyde de carbone dissous dans l’eau d’un aquarium par une m�thode de titrage.
Donn�es :
masse molaire mol�culaire du dioxyde de carbone : M(CO2) = 44,0
g.mol-1 ;
couples acide / base : (CO2, H2O)/HCO3 - (aq) ; HCO3 - (aq)/CO32-(aq)
;
On donne ci-dessous, le diagramme de distribution des esp�ces (CO2, H2O), HCO3 - (aq) et
CO32-(aq) :
Ce diagramme donne, � 25�C, les proportions molaires (en %) des
diff�rentes esp�ces acido-basiques provenant du dioxyde de carbone
dissous dans l’eau, en fonction du pH de la solution.
Les cellules gris�es du tableau ci-dessous indiquent des pH et des
domaines de concentration massique en dioxyde de carbone dissous
correspondant � des conditions optimales pour les plantes et les
poissons dans l’eau de l’aquarium.
Exemple de lecture : pour un pH de 7,0 et une concentration massique en CO2 dissous comprise entre
15 mg.L-1 et 27 mg.L-1, les conditions sont optimales.
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1. Du dioxyde de carbone dans un aquarium
On s’int�resse aux couples : (CO2, H2O)/HCO3 - (aq) et HCO3 - (aq)/CO32-(aq) de pKa respectifs pKa1 et pKa2.
1.1. � l’aide du diagramme de distribution des esp�ces, montrer que la valeur de pKA1 est �gale � 6,4, puis
d�terminer la valeur de pKA2.
1.2. Sur un m�me axe gradu� de pH, d�limiter et faire figurer les domaines de pr�dominance des esp�ces chimiques (CO2, H2O) , HCO3 - (aq) et CO32-(aq).
1.3. Le pH d’une
eau vaut 7,4. � l’aide d’un raisonnement qualitatif, indiquer comment
le pH de cette eau �volue lorsqu’on y introduit du dioxyde de carbone.
CO2, H2O + H2O =HCO3- aq + H3O+aq.
Cet �quilibre �volue dans le sens direct, consommation de dioxyde de carbone et formation d'ion H3O+aq. Le pH de la solution diminue.
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2. Contr�le du dioxyde de carbone dans l’eau d’un aquarium par titrage
La concentration en dioxyde de carbone dans l’eau de l’aquarium est
li�e au pH et � la concentration des ions hydrog�nocarbonate HCO3 -
(aq). Il est possible de d�terminer la concentration en dioxyde de
carbone en r�alisant le titrage acido-basique suivi par pH-m�trie des
ions hydrog�nocarbonate pr�sents dans l’eau de l’aquarium � l’aide
d’une solution d’acide chlorhydrique (H3O+(aq) +Cl − (aq)).
Pour cela, on pr�l�ve 100,0 mL d’eau de l’aquarium qu’on titre par une
solution d’acide chlorhydrique de concentration molaire 5,0 � 10-2 mol.L-1.
2.1. Faire un sch�ma l�gend� du dispositif exp�rimental de titrage.
Les valeurs du pH en fonction du volume d’acide chlorhydrique vers� au cours du titrage sont report�es.
2.2. Parmi les trois esp�ces CO32-(aq), HCO3 - (aq) et (CO2, H2O), d�terminer l’esp�ce pr�dominante :
- dans l’eau de l’aquarium ;
� pH=7,4, HCO3 - (aq) pr�domine.
- dans la solution � l’�quivalence du titrage.
� pH �qui = 4,4, (CO2, H2O) pr�domine.
2.3. �crire l’�quation de la r�action support de titrage des ions hydrog�nocarbonate par l’acide chlorhydrique.
HCO3 - (aq) +H3O+(aq) ---> CO2 aq + 2H2O.
2.4. Estimer la concentration molaire des ions hydrog�nocarbonate dans l’eau pr�lev�e dans l’aquarium.
A l'�quivalence : [HCO3 - (aq)] = 5,0 10-2 x 7,2 / 100,0 =3,6 10-3 mol/ L.
2.5. La relation permettant d’estimer la concentration molaire en dioxyde de carbone dissous dans l’eau de
l’aquarium est la suivante : [CO2, H2O] = [HCO3 - (aq)] � 10(pKA1 – pH).
En consid�rant que [CO2, H2O] =[CO2 dissous], d�terminer la valeur de la concentration massique en dioxyde de carbone dissous dans l’eau de l’aquarium.
[CO2, H2O] = 3,6 10-3� 10(6,4 -7,4) =3,6 10-4 mol /L soit 3,6 10-4 x44 ~1,6 10-2 g/L ou 16 mg / L.
2.6. Les conditions pour les plantes et les poissons sont-elles optimales ? Justifier.
Pour un pH de 7,4 et une concentration massique en CO2 dissous comprise entre 11 mg.L-1 et 23 mg.L-1, les conditions sont optimales.
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