Récupération des eaux de pluie. Tri des matières plastiques. Concours CAPLP 2017.

Phénomène de corrosion.
L'étude consiste à comparer les caractéristiques redox des métaux pour comprendre le mauvais état d'une toiture en acier galvanisé.
D.1.1 Indiquer la grandeur physique permettant de classer les couples redox.
Le potentiel standard d'oxydoréduction exprimé en volt.
D.1.2. Proposer une correction de l'exercice suivant.
Les pluies acides sont responsables de la corrosion du zinc.
1. Déterminer dans ce type de corrosion les couples oxydant / réducteur en présence. Nommer chaque espèce.
2. Ecrire la demi-équation électronique d'oxydation du zinc et celle de réduction des ions H₃O⁺. En déduire l'équation de la réaction d'oxydoréduction.
3. Proposer un autre métal pour fabriquer les gouttières de façon à ne plus avoir de corrosion.
Corrigé.
1. Ion zinc / zinc métal soit Zn²⁺ / Zn.
Ion oxonium / dihydrogène soit H₃O⁺ / H₂.
2. Zn = Zn²⁺ +2e^-.
2H₃O⁺ +2e^-=2H₂O + H₂.
Zn + 2H₃O⁺= Zn²⁺ +2H₂O + H₂.
3. Le cuivre.
D.1.3. Qu'est-ce qu'une pluie acide ?
Une pluie acide désigne toute forme de précipitation anormalement acide, due à la pollution par les oxyde de soufre et d'azote.
D.1.4. En dehors de la pollution atmosphérique, une eau de pluie a un pH inférieur à 7. Ce caractère acide provient naturellement du dioxyde de carbone présent dans l'air. Ecrire l'équation de la réaction du CO₂ sur l'eau expliquant ce caractère acide.
CO₂(aq ) +2H₂O(l) = HCO₃^-aq + H₃O⁺aq.

Etude de l'eau de pluie de pH = 4.
D. 2.1. Indiquer s'il y a eu un phénomène de pluie acide. Justifier.
En absence de pluie acide, le pH de l'eau de pluie est un peu inférieur à 7. A pH = 4, il y a eu un phénomène de pluie acide.
D. 2.2. Un dosage acido-basique de cette eau doit être réalisé par les élèves. Présenter un schéma complet et annoté de ce dosage.

D.2.3. Préciser, en fonction du protocole choisi, la façon de repérer l'équivalence du dosage.
Suivi pHmétrique : méthode des tangentes.
Changement de teinte de l'indicateur coloré.
D. 2.4. On utilise 100 mL d'eau de pluie. Calculer le volume équivalent Ve pour une solution titrante d'hydroxyde de sodium de concentration 0,01 mol / L.
A l'équivalence : 100 x 10^-4= 0,01 Ve ; Ve = 1 mL.
D.2.5 Critiquer les conditions expérimentales et proposer des améliorations.
Le volume équivalent doit être de l'ordre de 10 mL pour une meilleure précision. Utiliser une solution de soude de concentration 1,0 10^-3 mol / L.
D.2.6. Une cuve de récupération d'eau de pluie contient 1000 L d'eau de pluie de pH = 4. Une des solutions proposées est la neutralisation de l'eau grâce à la soude caustique. Quelle sera la masse de soude à ajouter pour que l'eau ait un pH égal à 7 ?
Calculer la masse de soude nécessaire à cette neutralisation.
Quantité de matière d'ion oxonium : 10^-4 x 1000 = 0,10 mol.
Quantité de matière de soude NaOH ( M = 40 g / mol) : 0,10 mol ; masse 40 x0,10 = 4,0 g.
D.2.7. Dans le cas d'une pluie acide due à l'acide nitrique, indiquer le nom des espèces chimiques présentes dans le réservoir à la fin de cette opération.
Nitrate de sodium Na⁺ et NO₃^-.

Utilisation des eaux de pluie récupérées.
L'eau de pluie est stockée dans une citerne enterrée. L'installation d'une pompe aspirante est envisagée.
E.1.1. Expliquer pourquoi une pompe aspirante ne peut pas aspirer de l'eau sur un dénivelé supérieur à environ 10 m.
En aspirant de l'eau, la pompe crée une dépression dans le tuyau d'entrée.
La pression atmoosphérique est suffisante pour pousser l'eau et combler le vide d'air crée par la pompe tant que la hauteur est inférieure à 10 m.
E.1.2. Exposer en quoi la construction du savoir scientifique procède par problèmes à résoudre.
L'objectif de la démarche scientifique est d'aboutir à une conclusion qui confirme ou infirme une hypothèse. On part de problèmes à résoudre, pour établir des énoncés universels. La démarche expérimentale, tests et expériences appuient la conclusion.
On part d'une observation particulière afin de déterminer une loi : les étapes sont des phases de questionnement et d'expériences.
E.1.3 Donner deux raisons qui justifieraient la non utilisation du document suivant en classe.
Le baromètre : Torricelli vit le mercure s'arrêter à 28 pouces dans un tube de verre vertical. Cette hauteur de 28 pouces et celle de 32 pieds des fontainiers sont dans le rapport inverse des densités de l'eau et du mercure.
Le mercure ne peut pas être utilisé dans une expérience.
Réaliser un baromètre à eau est quasiment impossible, vu la hauteur du tuyau vertical, une dizaine de mètres, fermé à l'extrémité supérieure.
E.1.4. Déterminer l'énergie nécessaire pour remonter de la citerne une masse d'eau d'une hauteur H.
Débit : d m³ s^-1 ; r masse volumisur kg m^-3 ; t : durée en seconde ; masse d'eau : m =d t r .
Energie E = m g H = d t r g H.
E.1.5. En déduire la puissance mécanique.
P_méc = E / t = d r g H.
E.1.6. Calculer cette puissance si d = 2500 L / h et H = 9 m.
d = 2,5 / 3600 = 6,94 10^-4 m³/s ;P_méc=6,94 10^-4 x1000 x9,8 x9 ~ 61 W.
E.1.7 La puissance électrique consommée par la pompe est 250 W. Calculer le rendement. Indiquer ce qui a été négligé dans les question précédentes pour expliquer ce faible rendement.
61 / 250 ~0,24.
Le fluide n'est pas immobile. Il faut utiliser la relation de Bernoulli.

Etude électrique.
Ce moteur est électrique et peut être assimilé en première approche à une inductance associée en série à une résistance électrique. le facteur de puissance est cos j = 0,80. Il est branché sur le secteur ERDF.
E.2.1. En déduire la puissance réactive et la puissance apparente de cette installation de pompage.
P = 250 V ; P = UI cos j ; puissance apparente S = UI = 250 / 0,8 =312,5 ~313 VA ;
Puissance réactive Q = UI sin j = 312,5 x 0,6 =187,5 ~187 var.
E.2.2. Déterminer l'intensité du courant.
I = S / U = 312,5 / 230 =1,36 ~1,4 A.

Modélisation expérimentale.
On utilise en classe un petit moteur électrique, alimenté par un générateur de basses fréquences ( signal sinusoïdal, 12 V efficace, 50 Hz ). L'oscillogramme a permis d'enregistrer la tension u(t) aux bornes du GBF et la tension v(t) aux bornes du moteur et proportionnelle à i(t).

E.3.1. Vérifier que la fréquence est bien 50 Hz et identifier u(t) et v(t) en justifiant.
T = 20 ms = 0,020 s ; f = 1 /0,020 =50 Hz.
U_max= 12 / 0,707 ~ 17 V. V_max =1,6 V.
E.3.2. Montrer qu'une valeur du facteur de puissance de 0,80 est compatible avec l'oscillogramme.
0,1 T correspond à 360 x0,1 = 36 °.
cos 36 ~0,80.