La dépollution par les plantes pour
extraire du nickel, Bac général
Centres étrangers 2026.
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Cet exercice traite de la photosynthèse dans une plante, puis de l’extraction
du nickel obtenu grâce aux plantes hyperaccumulatrices ainsi que de sa
purification par électrolyse, et enfin de son utilisation dans les batteries de
trottinettes électriques.
1. Photosynthèse dans la plante
Lors de la photosynthèse, les plantes vertes synthétisent des matières organiques. Grâce à l'énergie
lumineuse, elles transforment le dioxyde de carbone de l'air et l’eau puisée par le système racinaire,
en glucose C6H12O6(aq) et en dioxygène.
Données : couples oxydant-réducteur : O2(g) / H2O(l) ; CO2(g) / C6H12O6(aq)
Q.1. Écrire les demi-équations électroniques associées aux couples oxydant-réducteur mis en jeu
lors de la photosynthèse.
O2(g) +4H+aq + 4e- =2 H2O(l).
6CO2(g) +24H+aq + 24e- .= C6H12O6(aq)
+6 H2O(l)
Q.2. En déduire l’équation de la réaction modélisant la transformation ayant lieu lors de la
photosynthèse.
6CO2(g) +24H+aq + 24e- .= C6H12O6(aq)
+6 H2O(l).
6 fois { 2 H2O(l) = O2(g) +4H+aq + 4e- }
Ajouter et simplifier :
6CO2(g) +24H+aq + 24e- + 12 H2O(l)= C6H12O6(aq)
+6 H2O(l) +6O2(g) +24H+aq + 24e- .
6CO2(g) + 6 H2O(l)= C6H12O6(aq) +6O2(g) .
Q.3. Nommer la forme d’énergie produite lors de la photosynthèse.
Transformation d'énergie solaire en énergie chimique.
2. Extraction et purification du nickel Ni par électrolyse
Après la récolte, les plantes sont calcinées et broyées. Le nickel est alors extrait des cendres
obtenues puis purifié. Le pourcentage en masse de nickel peut atteindre 12,7 % d’une plante
séchée de Phyllanthus rufuschaneyi.
Sur un terrain de 100 m2
, jusqu’à 1,0 kg de plante séchée de Phyllanthus rufuschaneyi peut être
récolté.
Q.4. Déterminer la masse maximale de nickel récupérée sur un terrain de 100 m2
.
1,0 x12,7 / 100=0,127 kg~0,13 kg.
Pour récupérer le nickel solide, on dissout les cendres issues des plantes séchées dans l’eau et on
obtient une solution aqueuse qui contient des ions Ni2+(aq).
On effectue une électrolyse permettant de déposer le nickel sur une électrode afin d’obtenir du
nickel de grande pureté.
Pour ce faire, la cuve à électrolyse contient une solution aqueuse acidifiée contenant les ions nickel
Ni2+(aq) et deux électrodes inattaquables. L’une est en titane et l’autre en carbone.
Données :
- Charge électrique élémentaire : e = 1,6 ×10−19 C ;
- Constante d'Avogadro : NA = 6,02 × 1023 mol−1 ;
- Constante de Faraday : F = NA × e = 96 500 C·mol−1
;
- Masse molaire atomique du nickel (Ni) : M(Ni) = 58,7 g∙mol−1 ;
- Relation entre la capacité Q, l’intensité I et la durée d’utilisation Dt d’une pile Q = I ∙Dt.
La cuve à électrolyse est représentée dans le montage suivant :
Sous l’effet d’un courant électrique, les ions nickel Ni2+(aq) se transforment en nickel métallique à
l’une des électrodes, selon la réaction électrochimique d’équation : Ni2+(aq) + 2e- → Ni(s)
Q.5. Indiquer s’il s’agit d’une réaction d’oxydation ou de réduction.
Ni2+ gagne des électrons, c'est un oxydant qui se réduit.
Q.6. Reproduire un schéma simplifié du montage de la figure et indiquer sur ce schéma :
- le sens de déplacement des électrons ;
- le sens conventionnel du courant électrique ;
- le dépôt de nickel.
L’électrolyseur est parcouru par un courant électrique constant d’intensité I = 2,0 A. On supposera
qu’il n’y a pas de réactions parasites aux électrodes.
Q.7. Déterminer la durée de l’électrolyse permettant de purifier 1,3 ×102
g de nickel.
1,3 102 / 58,7 = 2,21 mol.
Nombre de moles d'électrons : 2x2,21=4,42 mol.
Quantité d'électricité correspondante : Q = 96500 x 4,42 = 4,26 105 C.
Durée Dt = Q / I =4,26 105 / 2,0=2,13 105 s ~ 60 heures.
Q.8. Commenter la durée de l’électrolyse. Proposer une solution pour réduire cette durée.
Ce procédé permet d’obtenir du nickel pur à 99,9 % adapté aux applications industrielles.
Durée très longue ; on peut la réduire en augmentant l'intensité du couant électrique.
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3. Utilisation dans les batteries de trottinettes électriques
Les batteries utilisées dans les trottinettes électriques sont en majorité des batteries lithium-ion type
NMC (Nickel-Manganèse-Cobalt) : elles présentent un bon équilibre entre la performance et le coût.
On s’intéressera à une batterie Li-NMC 622 dont une électrode contient 60 % de nickel, 20 % de
manganèse et 20 % de cobalt en masse.
- Masse totale de l’électrode contenant du nickel mélectrode = 0,53 kg ;
- 1 hectare (ha) : 1 ha = 1,0×104 m2
.
On estime les pertes à 45 % en nickel, suite aux trois étapes de l’extraction à la purification.
Q.9. Calculer, en s’appuyant sur le résultat obtenu à la question Q4, le nombre de batteries qu’il
serait possible de produire avec le nickel extrait à partir des plantes séchées, en supposant
de pouvoir effectuer une récolte sur 1 millier d’hectares. Commenter.
0,127 kg sur 100 m2 soit 12,7 kg sur 1 ha.
1,27 104 kg sur un millier d'hectares.
Tenir compte des pertes : 1,27 104 x0,55 =6,985 103 ~ 7 103 kg.
Masse de nickel dans une électrode de la batterie : 0,53 x 0,60=0,318 kg.
Nombre de batteries : 7 103 / 0,318 =2,2 104.
Nombre très important.
Il faut suffisamment de surface pour cultiver ce type de plantes (
existe-t-il de si grandes surfacespolluées ), au détriment des cultures
vivrières.
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