Adaptation du pH de l'eau d'un aquarium. Bac S Inde 2016.



Un aquarium et tout ce qu’il contient forment un système complexe à l’équilibre fragile. De nombreux facteurs peuvent provoquer un déséquilibre dangereux pour la vie et la santé des poissons. En particulier, le pH de l’eau est une grandeur à mesurer régulièrement et à réguler si nécessaire. Il ne doit pas varier de plus de 0,5 unité de pH.
Un aquariophile débutant n’arrive pas à réguler le pH de son aquarium qui contient des plantes et des poissons (scalaires, néons cardinal et guppys). Le matin, le pH de l’eau est d’environ 6,7 et le soir de 7,5.
Cet exercice a pour but d’aider l’aquariophile à réguler le fonctionnement de son aquarium.
Sur les forums d’aquariophilie on peut trouver quatre techniques d’ajustement du pH :
Technique n°1. Ajouter un peu d’acide sulfurique, commercialisé, par exemple, sous la dénomination « pH minus ». Il s’agit d’un acide fort, la variation du pH sera rapide et peut-être plus importante que souhaitée.
Technique n°2. Injecter du dioxyde de carbone dans l’eau.
Pour injecter du dioxyde de carbone dans un aquarium, le plus simple est d’utiliser un kit comprenant un bulleur, un détendeur et une bouteille pressurisée.
Ce système peut être couplé à une électrovanne programmable permettant de choisir les horaires des périodes d’injection du dioxyde de carbone.
Le système peut encore être optimisé en combinant un pH-mètre à l’installation, permettant une gestion automatisée de la régulation du pH.
D’après : http://www.aqua-planete.com/CO2.php
Technique n°3. Ajouter une solution contenant des ions hydroxyde de formule HO. L’ajout doit être modéré car si l’eau devient trop basique, les ions ammonium présents dans l’eau pourraient se transformer en ammoniac, un gaz dissous particulièrement toxique pour les poissons.
Technique n°4. Ajouter de la craie dans l’eau de l’aquarium.

Données :
- Les craies traditionnelles sont composées presque exclusivement de carbonate de calcium, un solide ionique constitué d’ions calcium Ca2+ et carbonate CO32- .
- Masse molaire du carbonate de calcium : M(CaCO3) = 100 g.mol-1.
- Masse d’un bâton de craie : environ 10 g.
H2CO3/HCO3 pKa1 =6,3
HCO3/CO32- pKa1 =10,3
Consommation et production de dioxyde de carbone et de dioxygène par les plantes aquatiques et les poissons :
De jour comme de nuit, les poissons respirent ; ils absorbent donc du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone.
En ce qui concerne les plantes, deux phénomènes sont à prendre en compte :
- De jour comme de nuit, elles respirent.
- De jour, lorsqu’elles reçoivent de la lumière, les plantes réalisent la photosynthèse : elles captent du dioxyde de carbone et produisent du glucose. La photosynthèse est modélisée par la réaction d’équation suivante :
6CO2+6H2O -->C6H12O6+6O2.
Globalement, lorsqu’elle reçoit suffisamment de lumière, une plante absorbe plus de dioxyde de carbone par la photosynthèse qu’elle n’en rejette par la respiration.





  1.
Une solution « pH minus » vendue pour faire baisser le pH dans un aquarium contient des ions H3O+ à la concentration de 3,0 mol.L-1. Pour mettre en oeuvre une des techniques, un aquariophile conseille sur un forum de prélever de l’eau de l’aquarium dans un récipient propre afin de diluer 50 fois la solution de pH « minus » avant de l’introduire dans l’aquarium. Déterminer la valeur du pH de la solution versée dans l’aquarium.
En diluant 50 fois la solution "pH minus", la concentration en ion oxonium est divisée par 50 soit c = 3,0 / 50 = 0,060 mol/L.
pH de la solution versée dans l'aquarium : pH = - log 0,060 =1,2.
2. Une des techniques propose d’injecter du dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone se dissout dans l’eau et y forme l’acide carbonique H2CO3 selon la réaction d’équation suivante :
CO2 (aq) + H2O(l) = H2CO3 (aq)
2.1 À l’aide des couples acide/base mis en jeu, écrire l’équation de la réaction intervenant entre l’acide carbonique et l’eau.
H2CO3 (aq) + H2O(l) = HCO3aq + H3O+aq.
2.2 Quel est l’effet de cette injection de dioxyde de carbone sur la valeur du pH de l’eau de l’aquarium ? Cette injection est-elle à conseiller à l’aquariophile débutant ?
[
H3O+aq] augmente et le pH diminue.
On peut conseiller cette dechnique à un débutant à condition
de le coupler à une électrovanne programmable permettant de choisir les horaires des périodes d’injection du dioxyde de carbone.
Le système peut encore être optimisé en combinant un pH-mètre à l’installation, permettant une gestion automatisée de la régulation du pH.

2.3 Tracer, sur un axe gradué, les domaines de prédominance des espèces acido-basiques H2CO3 (aq), HCO3aq et CO32- . Déterminer l’espèce prédominante le matin et le soir dans l’eau de l’aquarium étudié.

Le matin, le pH de l’eau est d’environ 6,7 et le soir de 7,5 : HCO3aq prédomine.









3. On considère un aquarium de volume 100 L dont l’eau a une valeur de pH égale à 3,0. On se propose d’étudier l’effet de l’ajout de craie dans l’eau comme proposé dans l’une des techniques.
3.1 L’ajout d’un quart de bâton de craie permettra-t-il d’obtenir une solution neutre ?

On modélisera la transformation par la réaction intervenant entre les ions carbonate CO32– présents dans la craie et les ions oxonium H3O+ de l’aquarium formant de l’acide carbonique et de l’eau. On considèrera cette réaction comme totale.
CO32-aq + 2H3O+ aq  --> H2CO3 aq + H2O(l). ( H2CO3 aq prédomine à pH inférieur à 6,3 )
Quantité de matière d'ion carbonate ajouté  n = 2,5 / M(CaCO3) = 2,5 / 100 = 0,025 mol.
Quantité de matière d'ion oxonium ayant réagi : 2*0,025 =0,050 mol.
Quantité de matière initiale d'ion oxonium : n0 = 100 * 10-pH = 0,10 mol.
Quantité de matière d'ion oxonium restante : 0,050 mol.
[
H3O+ aq]fin = 0,050 / 100 = 5,0 10-4 mol/L ; pHfin = -log (5,0 10-4) =3,3.
Le pH n'augmente que de 0,3, il ne peut pas atteindre la valeur 7.
3.2 Déterminer l’espèce prédominante après traitement. La modélisation choisie est-elle pertinente ?
Après traitement H2CO3 aq prédomine à pH inférieur à 6,3.
La modèlisation n'est pas pertinente, l'ajout de craie doit amener le pH de l'eau vers 7.

4. Indiquant les numéros des techniques proposées sur Internet permettant de faire diminuer ou augmenter le pH.
Les techniques 1 et 2 font diminuer le pH par ajout d'acide.
Les techniques 3 et 4 font croïtre le pH par ajout de base.
5. Synthèse.
En s’appuyant, entre autres, sur les équilibres acides/bases mis en jeu, rédiger un paragraphe expliquant :
- la variation de pH de 6,7 à 7,5 observée en journée.
- laquelle des quatre techniques convient pour réguler le pH dans l’aquarium considéré.
Les poissons respirent ; ils absorbent donc du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone de jour comme de nuit.
Globalement, lorsqu'une plante reçoit suffisamment de lumière, elle absorbe plus de dioxyde de carbone par la photosynthèse qu’elle n’en rejette par la respiration.
Bilan en dioxyde de carbone durant la journée : décroissance et en conséquence une augmentation du pH de l'eau.
La technique 1 est trop brutale et ne permet pas d'ajuster correctement le pH.
La technique 3 est également trop brutale, elle risque de provoquer le dégagement d'ammoniac nocif.
La technique 2 est la flus fiable.



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