Produit détachant et lessive, dormir en refuge, bac STI2D Métropole 2022.

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1. Composition de la lessive.
 Les lessives liquides sont composées de fortes quantités de carbonates ; en moyenne 30 % de la masse d’une lessive est constituée de carbonate de calcium CaCO3(s). La dissolution du CaCO3(s) libère des ions calcium Ca2+(aq) et des ions carbonate CO3 2- (aq) selon l’équation-bilan :
CaCO3(s) = Ca2+(aq)+ CO3 2- (aq). L’ion carbonate CO3 2- (aq), appartient au couple acido-basique HCO3 - (aq)/CO3 2- (aq). L’eau intervient alors dans le couple acido-basique H2O(l)/HO- (aq).
 1.1. Lors d’un cycle de lavage, une masse de 50 g de lessive est introduite dans le tambour où se trouve un volume d’eau égal à 20 L. Calculer la concentration molaire en ions carbonate résultant de la dissolution totale de la lessive dans l’eau contenue dans le tambour de la machine à laver.
 Masse de carbonate de calcium : 50 x0,30 = 15 g.
M(CaCO3) = 40 +12 +3 x16 =100g / mol.
n =15 /100 = 0,15 mol.
Concentration : 0,15 / 20 =7,5 10-3 mol / L.
 1.2. Écrire l’équation-bilan de la réaction de l’ion carbonate CO3 2- (aq) sur l’eau H2O(l) En déduire l’influence de la présence d’ions carbonate sur le pH de l’eau de lavage.
CO3 2- (aq) + H2O(l) --> HCO3 - (aq) +HO-aq.
Des ions hydroxydes sont libérés et le pH augmente.

2. Agents de blanchiment.
 Dans les lessives dites à « l’oxygène actif » le peroxyde d’hydrogène H2O2 (ou eau oxygénée) est l’agent de blanchiment. Comme le peroxyde d'hydrogène  est difficile à conserver longtemps en solution aqueuse, les lessives contiennent des produits capables de libérer de l’eau oxygénée au contact de l’eau. C’est le cas du perborate de sodium tétrahydraté NaBO3,4H2O. Ce composé est stable à température ambiante mais réagit avec l’eau à 60°C, la réaction libérant du peroxyde d'hydrogène.
Données : Couples d’oxydoréduction mis en jeu : NaBO3(aq) / NaBO2(aq) et H2O2(aq) / H2O(l).
 2.1. Écrire l’équation de la réaction qui modélise l’action du perborate de sodium sur l’eau, conduisant à la formation du peroxyde d’hydrogène.
NaBO3(aq) + H2O(l) -->NaBO2(aq)+ H2O2(aq).
En solution aqueuse, le peroxyde d’hydrogène peut réagir avec lui-même (on parle de réaction de dismutation), ce qui explique que l’on ne peut le conserver longtemps sous cette forme. Cette réaction met en évidence les propriétés oxydantes et réductrices du peroxyde d’hydrogène. Les deux demi-équations électroniques correspondantes sont :
H2O2(aq) + 2H+ (aq) + 2e– = 2H2O(l) (1)
 H2O2(aq) = O2(g) + 2H+ (aq) + 2e– (2).
 2.2. Préciser si, dans la demi-équation (1), le peroxyde d'hydrogène  est l’oxydant ou le réducteur. Justifier.
H2O2 gagne des électrons, c'est un oxydant qui se réduit.
 2.3. Préciser le couple oxydant/réducteur mis en jeu dans la demi-équation (2).
O2(g) /  H2O2(aq)
2.4. Écrire l’équation de la réaction qui modélise l’action du peroxyde d’hydrogène sur lui-même à partir des demi-équations (1) et (2). Identifier les produits de la réaction.
2H2O2aq = O2 (g) + 2H2O(l). ( dioxygène et eau ).

3. Azurants optiques.
 Certaines fibres naturelles absorbent la lumière bleue, ce qui donne un aspect jaunâtre au linge. Pour éviter cet effet, les lessives contiennent des azurants optiques. Ces molécules absorbent les rayonnements électromagnétiques ultraviolets et réémettent ensuite cette énergie sous forme de rayonnement visible (c’est le phénomène de fluorescence). Un azurant optique émet des ondes électromagnétiques avec un maximum dans les longueurs d’onde correspondant à la couleur bleue. L’azurant optique donne ainsi un « éclat de blancheur » au tissu lavé.
3.1. Préciser les longueurs d’ondes qui délimitent le domaine électromagnétique visible. Indiquer où se situe le domaine des longueurs d’ondes des rayonnements ultraviolets par rapport à celui du domaine visible.
Visible : 400 nm - 800 nm.
UV : longueurs d'onde inférieures à 400 nm.
3.2. Déterminer, à l’aide des spectres suivants, la valeur de la longueur d’onde correspondant au maximum d’émission de l’azurant optique.
    
Les agents azurants sont peu ou pas toxiques. Ils sont difficilement biodégradables et leur potentiel de bioaccumulation est considéré comme étant négligeable. En raison de leur utilisation majeure dans les détergents, leur principal impact écotoxicologique devrait se situer au niveau des espèces aquatiques. D’après l’article https://fr.wikipedia.org/wiki/Agent_azurant
3.3. Identifier le pictogramme de danger des azurants optiques en indiquant son code.

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 Dormir en refuge, un mode d’hébergement écologique ?
 Dans le cadre d’une démarche de développement durable, la rénovation énergétique du refuge de Bostan (Samoëns, Haute-Savoie) en 2016 s'est concrétisée par l'installation de panneaux solaires hybrides photovoltaïque/thermique. Un poêle à bois assure toujours le chauffage tandis que les 12 panneaux solaires hybrides photovoltaïque/thermique (8 panneaux au sud-est et 4 panneaux à l’ouest) produisent de l’électricité et de l’eau chaude pour le refuge. L’installation sud-est est active de 8 h du matin jusqu’à midi. De midi jusqu’à 15h les deux installations sont actives. Enfin, après 15h c’est l’installation orientée ouest qui prend le relais jusqu'à 18 h.
1.1. Donner l’expression de la fréquence f d’un photon susceptible de provoquer une variation d’énergie ΔE. Calculer alors la longueur d’onde d’un photon qui fournit, par absorption, une énergie DE égale à la valeur du gap de silicium (1,1 eV) et préciser si cette radiation se situe dans le domaine visible.
ΔE = h f ; f = ΔE / h.
1,1 eV = 1,1 x1,6 10-19 =1,76 10-19 J.
f = 1,76 10-19 / (6,63 10-34) =2,65 1014 Hz.
l = c / f =3,0 108 /(2,65 1014)=1,13 10-6 m = 1,16 µm.
Cette radiation est dans le proche infrarouge.
1.2. L’installation du refuge de Bostan
1.2.1. À l’aide des caractéristiques physiques des panneaux, données en début d’exercice, montrer que la valeur de la puissance électrique maximale d’un panneau solaire est de 250 W pour un ensoleillement de 1000 W.m-2 .
Puissance électrique fournie par  12 panneaux = 3,00 kW soit 3,00 / 12 =0,25 kW pour un panneau.
 1.2.2. Calculer la valeur du rendement énergétique d’un tel panneau solaire.
Surface d'un panneau : S =1,677 x 0,99 =1,66 m2.
Puissance solaire reçue : 1,66 x 1000 = 1660 W = 1,66 kW.
Rendement : 0,25 / 1,66 =0,15 ( 15 %).
 1.2.3. Évaluer l’énergie électrique en kWh que l’on peut récupérer par une belle journée d’été (pour un ensoleillement de 1000 W.m-2 ) en prenant en compte les durées de fonctionnement respectives de chacune des deux installations Sud-Est et Ouest.
8 panneaux au sud ; durée de fonctionnement : 7 h; énergie produite : 0,25 x 8 x7 = 14 kWh.
4 panneaux à l'ouest ; durée de fonctionnement : 6 h; énergie produite : 0,25 x 4 x6 = 6 kWh.
Total : 20 kWh.
1.2.4. À partir des informations suivantes, discuter de la nécessité de la présence d’un poêle à bois pour le chauffage.
Consommation moyenne par jour : 5 à 15 kWh minimum.
Un poêle à bois pour le chauffage est nécessaire.
2. Étude du poêle à bois.
 Informations sur la combustion du bois.
 Lors de sa combustion, le bois ne fait que libérer le dioxyde de carbone utilisé pour la croissance de l’arbre dont il est tiré. Selon les règles de l’ADEME, les chauffages au gaz, au fioul et à l’électricité émettent respectivement 222 kg, 480 kg et environ 180 kg de CO2 par MWh. Le bilan net pour le chauffage au bois est de 40 kg de CO2 émis par MWh. Ainsi l’utilisation du bois permet de diviser les émissions de CO2 par 12 par rapport au fioul et par 6 par rapport au gaz. https://presse.ademe.fr/wp-content/uploads/2014/11/guide-pratique-se-chauffer-au-bois.pdf
 Données : - Bois : assimilé ici à de la cellulose de formule brute C6H10O5.
- Énergie libérée par la combustion, par kilogramme de bois (pouvoir calorifique) : PC = 4,0 kWh.kg-1 ;
 2.1. Montrer que la quantité de matière de bois nécessaire à l'obtention d'une d’énergie de valeur 1 MWh est proche de 1,5 x 103 mol.
Masse de bois : 1000 / 4,0 = 250 kg.
M(C6H10O5)=6 x12 +10 +5x16 =162 g / mol.
Quantité de matière de bois : 250 103 /162=1,5 x 103 mol.
 2.2. Calculer alors la masse de dioxyde de carbone libérée lors de la combustion du bois afin d’obtenir 1MWh d’énergie.
2C6H10O5 +17O2 --> 12CO2 + 10H2O.
6 x1,5 x 103 =9 103 mol de CO2.
9 103 xM(CO2) =  9 103 x44 =3,96 105 = 396 kg.
 2.3. Expliquer pourquoi la valeur trouvée est très supérieure à celle donnée par l'ADEME. Expliquer l’intérêt écologique d’avoir installé un poêle à bois au refuge plutôt qu’un autre système de chauffage (fioul ou gaz).
Le bois ne contient pas que de la cellulose.
Lors de sa combustion, le bois ne fait que libérer le dioxyde de carbone utilisé pour la croissance de l’arbre

3. Aspect « thermique » des panneaux.
 Les panneaux solaires thermiques fonctionnent grâce à un fluide caloporteur (mélange eau-propylène glycol) qui y circule et est chauffé par le rayonnement solaire. Cette énergie thermique est ensuite fournie au ballon d’eau chaude.
3.1. Recopier la formule semi-développée de la molécule de propylène glycol et entourer les groupes caractéristiques. Nommer ce(s) groupe(s).

 3.2. Expliquer pourquoi on ne peut pas utiliser l’eau pure comme fluide caloporteur, notamment dans le cas d’un refuge de montagne et préciser l’intérêt d’employer le propylène glycol.
L'eau pure gèle dès que la température descend en dessous de zéro degré Celsius.
Le propykène glycol est miscible à l'eau ; sa température de fusion est très basse. La température de fusion du mélange eau propylène glycol est abaissée.

  
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