Les algues vertes,
bac Polynésie 2026
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Les
marées vertes, parfois observées sur les côtes françaises, résultent de
la prolifération massive d’algues liée à une augmentation de la
concentration en atomes d’azote et de phosphore dans le milieu
aquatique. Ce phénomène peut devenir dangereux pour la santé humaine,
notamment en raison de la libération de sulfure d’hydrogène H2S lors de la décomposition des algues.
L’objectif de cet exercice, dont les parties sont indépendantes, est :
- de déterminer la concentration en masse en ions nitrate d’une eau souterraine (Partie A) ;
- d’étudier la production de sulfure d’hydrogène par les algues vertes (Partie B) ;
- d’étudier les différents moyens de revalorisation des algues vertes (Partie C).
Partie A : Dosage des ions nitrate.
Les ions nitrate, provenant de l’usage intensif d’engrais, s’infiltrent
dans les nappes phréatiques et finissent par atteindre les eaux
souterraines puis les côtes, ce qui permet aux algues vertes de se
multiplier.
La réglementation européenne fixe un seuil à 50 mg∙L–1 d’ions nitrate pour les eaux destinées à la consommation humaine.
Pour déterminer la concentration en ions nitrate d’une eau, le dosage s’effectue en deux étapes.
Étape 1 : Les ions nitrate NO3–
, en milieu acide, réagissent avec une quantité de cuivre métallique en
excès selon une transformation chimique totale modélisée par la
réaction suivante :
3 Cu (s) + 2 NO3– (aq) + 8 H+(aq) --> 2 NO (g) + 4 H2O (l) + 3 Cu2+(aq) (1)
Dans un ballon muni d’un réfrigérant à eau, on introduit un volume Veau
= 50,0 mL d’eau souterraine bretonne, 50 mg de copeaux de cuivre et 5
mL d’acide sulfurique concentré. Après chauffage à reflux et
refroidissement, le contenu du ballon est filtré et recueilli dans un
erlenmeyer.
Q1. Citer deux avantages apportés par l’utilisation d’un chauffage à reflux.
Le chaufage à reflux permet accélère la réaction en travaillant à
température modérée ( la température est un facteur cinétique) tout en
évitant les pertes de matière ( les vapeurs se condensent dans le
réfrigérant et retombent dans le milieu réactionnel.
Étape 2 : Les ions cuivre Cu2+ réagissent avec l’ammoniac NH3 en excès pour former un composé coloré : le tétraammine cuivre II, noté [Cu(NH3)4]2+, selon une transformation chimique totale modélisée par la réaction suivante :
Cu2+ (aq)+ 4 NH3 (aq) --> [Cu(NH3)4]2+ (aq) (2)
Une solution concentrée d’ammoniaque est ajoutée à la solution issue de
l’étape 1. Le mélange est ensuite transféré dans une fiole jaugée de
100,0 mL et complété à l’eau distillée. On appelle S la solution
colorée obtenue. La quantité de matière d’ions cuivre initialement
présente, notée nCu2+ est égale à la quantité de matière du composé coloré [Cu(NH3)4]2+, qui est déterminée à l’aide d’un dosage par étalonnage spectrophotométrique.
Pour réaliser un dosage par étalonnage, on dispose d’une solution mère S0 du composé [Cu(NH3)4]2+ de concentration égale à 2,0 mmol∙L–1.
Trois solutions filles S1, S2 et S3 de concentrations en quantité de matière respectives 1,5 mmol∙L–1, 1,0 mmol∙L–1et 0,50 mmol∙L–1 sont obtenues en diluant la solution mère dans des fioles jaugées de 10,0 mL.
Q2. Nommer la verrerie nécessaire à la préparation de la solution fille S2, en détaillant le calcul du volume à prélever.
Facteur de dilution F = 2,0 / 1,0 = 2.
Prélever 2,0 mL de solution mère à l'aide d'une pipette jaugée.
Verser dans une fiole jaugée de 10,0 mL.
La solution S0 est utilisée pour réaliser le spectre d’absorption du composé coloré [Cu(NH3)4]2+.
Q3. Proposer une valeur de la longueur d’onde appropriée pour le dosage par étalonnage et en déduire la couleur de la solution S0 du composé coloré.
On mesure l’absorbance à la longueur d’onde appropriée, de chaque
solution étalon et de la solution inconnue S. Les résultats sont
représentés sur la figure suivante.
solution
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S0
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S1
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S2
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S3
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S
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C (mmoll / L
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2,0
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1,5
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1,0
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0,50
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Absorbance
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1,208
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0,906
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0,599
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0,310
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0,403
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Q4. Expliquer en quoi la représentation graphique de la figure est en accord avec la loi de Beer-Lambert.
Le graphe est une droite passant par l'origine.
Q5. À l’aide de la figure et du tableau qui la précède, montrer que la quantité de matière des ions cuivre Cu2+ formés nCu2+ dans la solution S vaut 6,7 × 10–5 mol.
Coefficient directeur de la droite : 1,15 / 1,9 =0,605 mmol -1.
A = 0,605 [Cu2+]
Concentration : [Cu2+] =0,403 / 0,605=0,67 mmol / L soit 0,67 / 100 =6,7 10-3 mmol / L soit ou 6,7 10-5 mmol dans 10 mL.
Q6. À
partir de l’équation de réaction (1) de l’étape 1, montrer que la
relation entre la quantité de matière d’ions nitrate contenus dans
l’eau souterraine nNO3– et la quantité de matière d’ions cuivre formés nCu2+ est : nNO3− = 2 / 3 × nCu2+.
3 Cu (s) + 2 NO3– (aq) + 8 H+(aq) --> 2 NO (g) + 4 H2O (l) + 3 Cu2+(aq) (1)
Faire le produit en croix : 2 nCu2+ = 3 nNO3−.
Q7. En déduire la concentration en masse CmNO3– des ions nitrate présents dans les 50,0 mL d’eau souterraine. Conclure sur la qualité des eaux souterraines étudiées.
nNO3− = 2 / 3 ×6,7 10-5 = 4,5 10-5 mol dans 10 mL soit 4,5 10-3 mol / L.
M(NO3-) = 14 +3*16 =62 g / mol.
62 x4,5 10-3 = 0,28 g / L dou 280 mg / L > 50 mg / L. Donc eau non consommable.
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Partie B : Le sulfure d’hydrogène.
Le sulfure d’hydrogène de formule H2S est un gaz très
toxique. Les algues vertes libèrent ce gaz en se décomposant à cause de
bactéries sulfato-réductrices qui transforment les ions sulfate SO42– en sulfure d’hydrogène H2S en absence de dioxygène.
Données :
- Couples oxydant/réducteur : SO42– (aq) / H2S (aq) ; O2 (g) / H2O (ℓ) ;
- Couples acide-base à 25°C : H2S (aq) / HS– (aq), pKA1 = 7,0 ;
HS– (aq) / S2– (aq), pKA2 = 13 ;
- pH de l’eau de mer : 8,2 ;
-Extrait de l’étiquette d’une bouteille de sulfure d’hydrogène gazeux :
très toxique pour les organismes aquatiques et mortel par inhalation.
Q8. Justifier le terme « réductrices » utilisé dans l’appellation « sulfato-réductrices » pour les bactéries.
L'ion sulfate est réduit en sulfure d'hydrogène.
On veut modéliser la transformation chimique entre le sulfure d’hydrogène et l’eau de mer en utilisant les couples H2S (aq) / HS– (aq) et H3O+ (aq) / H2O (ℓ).
Q9. Écrire l’équation de la réaction acido-basique modélisant cette transformation chimique.
H2S (aq) +H2O (ℓ) --> H3O+ (aq) +HS– (aq)
Q10. Tracer le diagramme de prédominance des couples acide-base H2S (aq) / HS– (aq) et HS– (aq) / S2– (aq). Indiquer l’espèce chimique prédominante quand les algues vertes sont en contact avec l’eau de mer.
A pH = 8,2, HS- prédomine.
Q11. Écrire l’équation d’oxydo-réduction qui a lieu quand le sulfure d’hydrogène H2S entre en contact avec le dioxygène O2 au moment où l’algue s’assèche. Justifier que le milieu subit une acidification.
SO42– (aq) + 10H+ aq +8e- = 4 H2O(l) +H2S (aq) ;
2 fois [ 2H2O (ℓ)= O2 (g) + 4H+aq + 4e- ]
Ajouter : SO42– (aq) + 10H+ aq +8e- +4H2O (ℓ)= 4 H2O(l) +H2S (aq) +2O2 (g) + 8H+aq + 8e-
SO42– (aq) + 2H+ aq --> H2S (aq) +2O2 (g) .
Pour vérifier l’acidification du milieu, on se propose de calculer le nouveau pH. Pour cela, on étudie le couple acide-base H2S (aq) / HS– (aq). On considère que la concentration en quantité de matière en ions sulfure S2– est négligeable.
Q12. Rappeler l’expression de la constante d’acidité KA1 du couple H2S (aq) / HS– (aq) en fonction des concentrations en quantité de matière à l’équilibre en ions hydrogénosulfure [HS–], en sulfure d’hydrogène [H2S] et en ions oxonium [H3O+].
KA1 = [HS–] [H3O+] / [H2S].
Le pH du milieu peut être déterminé selon l’expression suivante, admise : pH = 0,52×( pKA1– log(KH2S × pH2S /po))
Où KH2S est la constante d’équilibre entre le sulfure d’hydrogène aqueux H2S (aq) et le sulfure d’hydrogène gazeux H2S (g), pH2S la pression partielle en H2S (g) en bar et po la pression standard en bar.
Données :
Constante d’équilibre H2S (g) = H2S (aq) : KH2S = 0,09 ;
Pression partielle en H2S (g) : pH2S = 0,1 bar ;
Pression standard : po = 1 bar.
Q13. Calculer la
valeur de pH. En déduire l’espèce chimique prédominante à ce pH.
Indiquer les risques sanitaires et environnementaux à laisser les
algues vertes sécher sur la plage.
pH = 0,52 x( 7,0 -log(0,09 x0,1) =4,7.
A pH = 4,7, H2S prédomine : gaz très toxique pour les organismes aquatiques et mortel par inhalation.
Partie C : Revalorisation des algues vertes.
La revalorisation des algues utilise l’amidon présent dans les algues
vertes. L’amidon est composé de deux polymères dont un qui a pour
structure :
Q14. Nommer la famille fonctionnelle correspondant au groupe caractéristique entouré en pointillés.
Q15. Identifier et recopier sur la copie le motif du polymère.
Données :
Loi des gaz parfaits : PV = nRT, où P est la pression du gaz en Pa, V son volume en m3, n sa quantité de matière en mol, T sa température en K et R la constante des gaz parfaits ;
R = 8,314 J∙K−1· mol−1 ;
1 bar = 105 Pa ;
Conversion de température : T(K) = q(°C) + 273 ;
Masse molaire de l’éthanol C2H6O : M = 46,0 g∙mol–1 ;
Masse volumique de l’éthanol C2H6O : r = 789 g∙L–1.
Tableau comparant les carburants SP95 et E85 :
carburant
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Volume de carburant consommé pour 100 km
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Volume de dioxyde de carbone libéré lors d’un trajet de 100 km
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SP95
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7,0 L
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8,3 m3
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E85
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9,3 L
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La fermentation de l’amidon des algues vertes permet de produire du « bioéthanol » C2H6O.
Le bioéthanol est un carburant pouvant être utilisé par combustion dans
certaines voitures sous la forme de E85 (85 % volumique de bioéthanol
et 15 % volumique d’essence SP95) selon l’équation de réaction :
C2H6O (g) + 3 O2 (g) --> 2 CO2 (g) + 3 H2O (g)
Q16. Montrer que la quantité de matière de bioéthanol nC2H6O contenu dans le volume d’E85 nécessaire pour parcourir 100 km est voisine de 1,4 × 102 mol.
0,85 x789 x9,3 / 46 = 135,8 ~1,4 102 mol.
On considèrera que le dioxyde de carbone se comporte comme un gaz
parfait à une température de 20 °C et une pression atmosphérique patm de 1,013 bar.
Q17. Déterminer le volume de CO2, noté VCO2,
libéré lors d’un trajet de 100 km par la combustion du bioéthanol
contenu dans l’E85. Comparer cette valeur au volume de dioxyde de
carbone libéré si on utilise de l’essence SP95 pour le même trajet et
conclure sur l’avantage du bioéthanol.
V = nRT / P =1,4 102 x8,314 x 293 / (1,013 x 105)=3,37 ~3,8 m3.
Cette valeur est bien inférieure à 8,3 m3, volume de CO2 produit par SP95 pour le même trajet.
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