L'électrolyse, une méthode active pour rénover les récifs coralliens. Bac STI2D 2016.

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Partie A – Suivre et comprendre la disparition des récifs coralliens.
A.1 L’acidification des océans.
Ocean are more acidic due to absorbing 30 % of the CO2 produced since 1750.

A.1.1 À l’aide de vos connaissances, citer deux causes responsables de l’augmentation de l’émission de CO2 dans l’atmosphère ces dernières années.
La combustion de plus en plus importante des combustibles fossiles ( gaz, charbon, pétrole ) : chauffage, automobiles, camions, centrales thermiques.
La déforestation : les arbres fixent du dioxyde de carbone pendant leur croissance.
La dissolution dans l’eau du dioxyde de carbone gazeux entraine, d’abord, la formation d’acide carbonique H2CO3(aq) qui se transforme, ensuite, en ion carbonate HCO3-(aq), selon l’équation
 H2CO3(aq) =HCO3-(aq) + H+(aq).
A.1.2 En vous appuyant sur la définition d’un acide, justifier que la molécule H2CO3(aq) est bien une espèce acide.
 H2CO3(aq) est susceptible de céder un proton H+, c'est un acide.
On donne le couple acide / base de l’eau H3O+(aq) / H2O(l).
A.1.3 Écrire la demi-équation acido-basique traduisant la transformation de l’eau H2O(l) en ion oxonium H3O+(aq).
 H2O(l) + H+(aq)= H3O+(aq).
A.1.4 En déduire l’équation bilan de la réaction entre l’acide carbonique H2CO3(aq) et l’eau H2O(l).
H2CO3(aq) + H2O(l) = H3O+(aq) + HCO3-(aq).
A.1.5 Pourquoi parle-t-on d’acidification des océans ? Une réponse argumentée de quelques lignes (maximum 10 lignes) est demandée dans laquelle devront apparaitre les notions suivantes : pH, concentration, dissolution, H3O+ ou H+, CO2.
Une grande partie du dioxyde de carbone atmosphérique se dissout dans les océans. Il en résulte des ions carbonate HCO3-(aq) et oxonium H3O+(aq). La concentration en ions oxonium dans les océans croît en même temps que l'augmentation du dioxyde de carbone atmosphérique.
Or pH = -log [H3O+(aq)]. Le pH des océans diminue donc. On parle d'acidification des océans.
A.2. Les observations satellites.
 A.2.1 Étude des capteurs.
A.2.1.a Les propositions suivantes sont-elles vraies ou fausses ? Justifier brièvement la réponse.
1) Les ultrasons sont des ondes électromagnétiques. Faux.
Les ultrasons sont des ondes mécaniques qui nécessitent un milieu de propagation. Ils ne se propagent pas dans le vide, contrairement aux ondes électromagnétiques..
2) Les particules alpha (émises lors des désintégrations nucléaires) sont des ondes électromagnétiques. Faux.
Les particules alpha sont des noyaux d'hélium.
3) Une onde électromagnétique est composée d’un champ électrique et d’un champ cinétique. Faux.
Une onde électromagnétique est composée d'un champ électrique et d'un champ magnétique.
4) La longueur d’onde d’une onde électromagnétique est proportionnelle à sa période. Vrai.
la constante de proportionnalité est la célérité de l'onde l = c T.
A.2.1.b En vous appuyant sur la chaîne d’acquisition du signal, identifier la grandeur d’entrée et la grandeur de sortie du capteur optique. Préciser dans chaque cas s’il s’agit d’une grandeur analogique ou d’une grandeur numérique, tout en définissant ces deux termes.

La grandeur d'entrée du capteur optique est l'énergie lumineuse et celle de sortie est une grandeur électrique (tension). Ce sont des grandeurs analogiques qui peuvent prendre toutes les valeurs possibles. Par contre une grandeur numérique ne peut prendre qu'un petit nombre de valeurs.
A.2.1.c Donner le sens des lettres C-A-N dans la chaîne d’acquisition du signal par un capteur CCD.
Convertisseur Analogique Numérique.




A.2.2 Température.
La température de l’eau a aussi une influence sur la santé des coraux. L'évaluation de température à distance repose sur l'utilisation du rayonnement propre émis par les corps. Le plus fréquemment, le corps émetteur est assimilé à un « corps noir ». Le rayonnement émis ne dépend que de la température. La relation entre la longueur d’onde du rayonnement et la température est donnée par la loi de Wien.
A.2.2.a En supposant que le rayonnement émis par l’eau est celui du corps noir à la même température, calculer la longueur d’onde du rayonnement émis par une zone de l’océan dont la température de surface vaut q =20,0 °C. Exprimer le résultat en micromètres.
T lmax = 2,90 10-3 avec T en kelvin.
lmax =2,90 10-3 /(273+20)=9,90 10-6 m = 9,90 µm.
A.2.2.b  indiquer à quel domaine du spectre électromagnétique appartient cette onde.
Domaine infrarouge.
A.2.2.c Justifier que les satellites LANDSAT.TM et NOAA peuvent-être utilisés pour mesurer la
température des océans.
L'étendue de mesures des différents capteurs embarqués sur le satellite LANDSAT.TM vont de 10,4 à 12,6 µm ( band 6). L'étendue de mesures des différents capteurs embarqués sur le satellite NOAA vont de 10,5 à12,4 µm ( Band 5 et 6). Ces longueurs d'onde correpondent au rayonnement émis par les océans.
A.2.3 Réflectance.
La réflectance, quantité d’énergie réémise par rapport à la quantité d’énergie reçue par un objet, est une mesure essentielle dans le suivi du développement des coraux par satellite. C'est grâce aux variations de réflectance que la télédétection permet d'identifier les coraux victimes du blanchiment, de surveiller la santé des coraux et de distinguer les coraux des algues et des autres types de surfaces
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A.2.3.a En vous appuyant sur ce document, indiquer quelle(s) grandeur(s) permet(tent) de différencier un corail vivant (soft ou hard), d’un corail mort ou un corail vivant, d’algues ?
La réflectance d'un corail vivant est de l'ordre  de 0,20  pour des longueurs d'onde  comprises entre 0,45 et 0,6 µm. La réflectance d'un corail mort n'est que de 0,12 dans la même gamme de longueur d'onde. La réflectance des algues est bien supérieure ( de 0,60 à 0,80) dans cette gamme de longueur d'onde. La réflectance du corail est proche de zéro vers 0,7 µm alors que celle des algues est encore de 0,25.
A.2.3.b La longueur d’onde du rayonnement réfléchi maximal pour un corail vivant « soft » appartient-elle au domaine visible ?
0,5 µm appartient au domaine visible. Ce dernier s'étend de de 0,4 µm à 0,8 µm.
A.2.3.c Le capteur mesure une réflectance égale à 0,25 pour une énergie de rayonnement E = 2,84 x 10 -19 J. Déterminer la nature du matériau détecté.
l =h c / E = 6,67 10-34 *3,00 108 / (2,84 10-19) =7,05 10-7 m = 0,705 µm. Il s'agit d'algues.









Partie B – Sauver les coraux, la structure Biorock.
Le carbonate de calcium CaCO3(s), appelé aussi dans ce cas aragonite, squelette du corail, se décompose sous l’effet de l’acidification des océans. Afin d’inverser le processus, les structures biorocks proposent par électrolyse de l’eau de mer d’augmenter localement le pH de l’eau afin
d’inverser le processus et ainsi de favoriser la formation de carbonate de calcium.
Une fois la structure installée, des fragments de coraux sont simplement accrochés à l’aide de fils de fer ou de colliers en plastiques. Les coraux se développent alors en moyenne de 3 à 5 fois plus rapidement que sur une implantation classique.
B.1 L’expérimentation en laboratoire.
Vous êtes chargé(e) de tester en laboratoire l’effet de deux paramètres sur la quantité du dépôt d’aragonite :
- l’effet de la température de l’eau ;
- l’effet de la tension appliquée entre les bornes lors de l’électrolyse.
Liste du matériel disponible : générateur de tension continue réglable, électrodes métalliques, multimètres, bain thermostaté (cuve associée à une résistance chauffante permettant de fixer la température du liquide), eau de mer, fils de connexion, balance électronique, chronomètre.
B.1.1 Pour mettre en oeuvre la démarche expérimentale permettant d’étudier l’effet de la tension sur la quantité de CaCO3 formée, reproduire sur la copie le schéma du montage ci-dessous et y faire figurer l’instrument de mesure utilisé pour mesurer la tension.
Indiquer les étapes de la démarche expérimentale avec des phrases courtes.

Réaliser un bain d'eau de mer thermostaté.
Peser la cathode.
Réaliser le montage électriqe et fixer la tension.
Faire l'électrolyse  durant une durée  Dt.
Peser à nouveau la cathode.
Recommencer pour différentes valeurs de la tension.
B.1.2 Choix d’un voltmètre.
Les résultats affichés montrent que la réaction atteint son maximum d’efficacité pour une tension appliquée U = 1,230 V. Des réactions parasites peuvent se produire lors de l’électrolyse. Afin d’éviter cela il faut maintenir une tension effective entre 1,200 V et 1,270 V.
B.1.2.a Les deux multimètres affichent la valeur U = 1,230 V. Utiliser la précision de ces voltmètres, pour calculer l’incertitude sur la mesure e.
Montrer que pour le multimètre 1, e1=0,006 V et que pour le multimètre 2, e2= 0,017 V.
Multimètre 1 : plage de mesures 5 V ; précision : 1,230 *0,3 /100 ~0,004 , ajouter 2 digits (0,002) soit  e1=0,006 V.
Multimètre 2 : plage de mesures 2,000 V ; précision : 1,230 *1,2 /100 ~0,015 , ajouter 2 digits (0,002) soit  e2=0,017 V.
B.1.2.b Sachant que l’incertitude associée au résultat d’une mesure unique, u(U), pour un niveau de confiance de 95 % est donnée par u(U) / 1,732, exprimer, pour chaque voltmètre, la mesure de la tension sous la forme U ±u(U)  en utilisant le nombre adapté de chiffres significatifs.
Multimètre 1 : u(U) =0,006 /1,732 =0,0035, arrondi à 0,004 ;   U = 1,230 ±0,004 V.
Multimètre 2 : u(U) =0,017 /1,732 =0,0098, arrondi à 0,01 ;   U = 1,230 ±0,01 V.
B.1.2.c Quel voltmètre est-il préférable de choisir ? Justifier votre choix.
Le multimètre 1 est choisi, c'est le plus précis, mais le voltmètre 2 peut aussi convenir.
B.2 Les propriétés de l’aragonite obtenue.
Masse volumique de l’eau de mer : rmer = 1 030 kg.m-3 ; au niveau de la mer, la pression moyenne est de 1 013 hPa.
B.2.1 Identifier les grandeurs présentes dans le principe fondamental de l’hydrostatique ; indiquer leurs unités. Vous pouvez vous appuyer sur un schéma.
pB-pA = r g ( hA-hB).
pB-pA : différence de pression entre les points A et B ( pascal).
r : masse volumique du fluide ( kg m-3).
g : accélération de la pesanteur m s-2.
 hA-hB: différence d'altitude entre les points A et B ( mètre ).
B.2.2 Pour un récif corallien se situant à 20 m de profondeur, calculer la pression exercée par l’eau sur l’aragonite formée puis en déduire si ce matériau supportera cette pression.
pB=pA + r g ( hA-hB)=1,013 105 + 1013*9,81*20 =3,00 105 Pa = 3000 hPa
Oui, l'aragonite peut supporter une pression à sa surface de 80 MPa ( 8 107 Pa).
B.2.3 Ce procédé est aussi envisagé pour la construction de digues ou de structures immergées. En comparant avec les matériaux de construction habituels, indiquer si cette idée vous semble intéressante.
L'aragonite à une résitance à la pression bien supérieure au béton ou au granite, mais reste à connaître le coût de sa fabrication.
B.3 La mise en place de la structure.
Alors que l’anode est constituée d’un matériau résistant à la corrosion (platine ou autre) la cathode est constituée de tiges de métaux conducteurs (acier le plus souvent) soudées entre elles. La structure ainsi constituée est remorquée sur le site du récif. On étudie la mise à l’eau puis le remorquage, à une distance de 50 m de la côte, d’une structure de masse m = 100 kg par un bateau. On supposera le trajet linéaire.
La structure est maintenue à la surface grâce à des flotteurs répartis tout autour de la forme.
On notera :
R : résultante des forces appliquées par les flotteurs sur la structure.
P : poids de la structure.
F : force de traction du bateau.
f : résultante des forces de frottements.
Phase 1 : la structure est immobile à la surface de l’eau.
Phase 2 : Le bateau, initialement au repos, atteint la vitesse vf = 3,0 m.s-1 après 10 m de traction.
Phase 3 : Le bateau tracte la structure à vitesse constante vf = 3,0 m.s-1 jusqu’à son emplacement final.
B.3.1 Calculer l’intensité du poids, P, de la structure.
P = mg = 100*9,81 = 981 N.
B.3.2 Associer à chaque schéma (A, B et C) la phase (1, 2 ou 3) correspondante.
Pour chaque phase, reproduire les schémas bilan en identifiant chaque force ;  préciser la nature du mouvement. Justifier les relations vérifiées par les forces dans chaque situation.

Partie C – Choisir la source d'énergie poue alimenter la structure Biorock.
Afin de minimiser l’impact environnemental, les systèmes Biorock utilisent des énergies renouvelables. On étudie les différents modes de production d’énergie afin de choisir celui qui
est le plus adapté à la zone d’implantation. Les hydroliennes exploitent l’énergie des courants de marées (ou des fleuves). Une source d’énergie particulièrement intéressante car elle est régulière et inépuisable.
On considère l’écoulement du fluide (eau ou air) en absence d’éolienne ou d’hydrolienne. Le fluide s’écoule alors à vitesse constante, notée v0. Pendant une durée Dt une certaine quantité de fluide traverse un volume cylindrique de section S et longueur L = v0 x Dt.

C.1.1 Le volume d’un cylindre, de section S et de longueur L, est égal à V = L x S. Exprimer la masse, m, de fluide contenue dans le volume en fonction de r, v0, Dt et S.
m = r V = r L S = r v0  Dt S.
C.1.2 Rappeler l’expression de l’énergie cinétique, Ec, pour un objet, de masse m, qui se déplace à la vitesse v0.
Ec = ½mv20.
C.1.3 Cette expression peut être appliquée dans le cas d’une masse, m, de fluide. Montrer alors que l’énergie cinétique du fluide, dans le volume cylindrique, est :
Ec = ½mv20 = ½ r v0  Dt S v20 = ½ r  Dt S v30.
C.1.4 En déduire l’expression de la puissance, P, du fluide qui traverse la section, S.
P =Ec / Dt = ½ r S v30.
C.1.5 Calculer, pour les conditions d’implantation présentées en introduction, les sections Se de l’éolienne et Sh de l’hydrolienne, afin qu’elles produisent chacune une puissance P =1,00 kW.
Hydrolienne : v0 = 0,050 m/s ; rair = 1,03 103 kg m-3.
Sh = 2P / ( r  v30) = 2000 / (1,03 103 *0,0503)=15,5  103 m2.
Eolien : v0 = 10 m/s ; reau = 1,20 kg m-3.
Se = 2P / ( r  v30) = 2000 / (1,2 *103)=1,67 m2.
C.1.6 Justifier, pour ces conditions d’implantation, qu’il est préférable de choisir l’éolien.
Les dimensions de l'éolienne seront bien moindres que celles de l'hydrolienne.
C.2 L’énergie solaire.
On dispose de panneaux solaires de rendement 15 %. On rappelle que le rendement, h, est égal au quotient de la puissance fournie par le système par la puissance reçue .
C.2.1 En déduire la valeur de la puissance reçue par le panneau solaire pour fournir 1,00 kW.
1,00 / 0,15 = 6,67 kW.
C.2.2 Montrer qu’une surface Span = 5,00 m2 de panneau solaire est suffisante pour alimenter 30,0 m2 de structure Biorock dans les conditions d’implantation présentées.
Irradiance moyenne 1,5 kW m-2. Span =6,67 / 1,5 = 4,45 m2.
C.3 Le groupe électrogène.
La dernière solution est d’installer un groupe électrogène sur la côte, relié aux structures Biorock par des câbles sous-marins. Il est possible de faire fonctionner ces groupes électrogènes avec de l’huile de coco.
Le groupe électrogène convertit l’énergie thermique produite par la combustion de l’huile de coco en énergie électrique.
C.3.1 Rappel : 1,00 kW.h = 3,60 x 106 J.
Utiliser la relation entre la puissance, l’énergie et la durée de fonctionnement pour calculer l’énergie nécessaire (en joule) pour faire fonctionner 30,0 m2 de structure pendant 12,0 h.
E = P Dt = 1,00 *12 = 12,0 kWh ou 12,0 *3,60 106 = 4,32 107 J.
C.3.2 Calculer la masse d’huile de coco qu’il faut brûler pour fournir cette énergie.
Pouvoir calorifique de l'huile de coco : 34 MJ kg-1 = 3,4 107 J kg-1.
Masse d'huile de coco : 4,32 / 3,4 = 1,27 kg.
Masse volumique de lhuile de coco : 918 kg m-3.
1,27 / 918 ~1,4 10-3 m3 = 1,4 L.
C.3.3 En déduire la quantité de matière d’huile de coco consommée. M = 282 g/mol.
n = 1,27 103 / 282 = 4,5 mol.
C.3.4 Recopier et compléter l’équation de combustion de l’huile de coco, ci-dessous :
2 C18H34O2 + 51 O2 --> 36 CO2 + 34 H2O.
C.3.5 Donnée : MCO2 = 44,0 g.mol-1.
En déduire que la masse de CO2 produite, lors du fonctionnement du groupe électrogène pendant 12,0 h, est égale à 3,6 kg.
n(CO2) = 18 *4,5 =81 mol ; masse : 81*44 ~3,6 103 g = 3,6 kg.
C.4 Le choix de l’énergie.
Parmi tous les modes de production d’énergie, quel est celui qui vous semble le plus adapté à la situation ? Vous justifierez votre choix en listant les points positifs et négatifs de chaque
option.
On retient l'éolien ou le solaire ( énergie renouvelable, pas d'émission de dioxyde de carbone ). On choisira l'un ou l'autre en fonction du coût de l'installation et de sa durée de fonctionnement sans réparation importante.


  

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