Chimie et environnement

Exercice 1 — Polluants atmosphériques (4 pts)
1. Deux polluants atmosphériques (formule + source) — au choix parmi :

• Dioxyde de soufre SO₂ — Source : combustion du charbon et du pétrole (industries, centrales thermiques).
• Oxydes d'azote NOₓ (NO, NO₂) — Source : moteurs thermiques (voitures), industries.
• Dioxyde de carbone CO₂ — Source : combustions (voitures, chauffage, industrie) et déforestation.
• Monoxyde de carbone CO — Source : combustion incomplète (moteurs, appareils de chauffage mal réglés).
• Méthane CH₄ — Source : élevage, riziculture, décharges.

Attendre deux couples formule + source exacts, chacun vaut 1 pt.

2. Polluant primaire vs polluant secondaire

• Polluant primaire : émis directement dans l'atmosphère par une source.
  Exemple : SO₂ rejeté par les cheminées d'usines, ou CO produit par un moteur.
• Polluant secondaire : formé dans l'atmosphère par réactions chimiques entre polluants primaires et constituants de l'air.
  Exemple : l'ozone troposphérique O₃, formé par réaction entre NOₓ et O₂ sous l'action des rayonnements UV.

Justification : les polluants primaires sont à l'origine ; les secondaires résultent de transformations chimiques ultérieures — d'où souvent un impact plus étendu géographiquement.

Exercice 2 — Les pluies acides (5 pts)
1. Équation de formation de l'acide sulfureux :

Justification : le dioxyde de soufre se dissout dans les gouttelettes d'eau nuageuse pour former l'acide sulfureux (H₂SO₃). Cet acide libère des ions H⁺ qui font chuter le pH de l'eau de pluie en dessous de 5.

2. Calcul du nombre de moles de CaCO₃ :
On utilise la relation : n = m / M
n(CaCO₃) = 5 g ÷ 100 g/mol = 0,05 mol

3. Nombre de moles de H₂SO₄ nécessaires :
D'après l'équation : CaCO₃ + H₂SO₄ → CaSO₄ + H₂O + CO₂
Les coefficients stœchiométriques sont 1 : 1, donc 1 mol de H₂SO₄ réagit avec 1 mol de CaCO₃.
Il faut donc : n(H₂SO₄) = 0,05 mol

4. Deux autres conséquences environnementales des pluies acides :

• Acidification des lacs et rivières : le pH descend en dessous de 5, ce qui entraîne la mort des poissons et des amphibiens (incapables de survivre à un pH < 5).
• Destruction des forêts : les acides attaquent les feuilles, épuisent les sols en éléments minéraux, provoquant le dépérissement des arbres.

(Autre conséquence acceptée : corrosion des métaux — ponts, rails, canalisations.)

Exercice 3 — Effet de serre et cycle du carbone (5 pts)
1. Effet de serre naturel vs amplification humaine :

• Effet de serre naturel : certains gaz de l'atmosphère (vapeur d'eau H₂O, CO₂, CH₄…) absorbent le rayonnement infrarouge émis par la Terre et le réémettent, maintenant une température moyenne de +15 °C au lieu de −18 °C. Ce phénomène est indispensable à la vie.
• Amplification d'origine humaine : depuis la révolution industrielle, la combustion des énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz) et la déforestation ont augmenté la concentration de CO₂ d'environ 280 ppm à plus de 420 ppm (et de CH₄), renforçant l'effet de serre naturel. Cette amplification provoque un réchauffement climatique dont les effets sont observables (fonte des glaces, montée des mers, événements extrêmes).

2. Quatre réservoirs + un flux :

• Atmosphère (CO₂ gazeux, ~850 Gt C)
• Biosphère (carbone organique dans les êtres vivants, ~560 Gt C pour les végétaux)
• Hydrosphère / Océans (CO₂ dissous, carbonates, ~38 000 Gt C)
• Lithosphère (combustibles fossiles, calcaires, ~50 000 000 Gt C)

Exemple de flux : la photosynthèse transfère du carbone de l'atmosphère vers la biosphère (CO₂ + H₂O → glucose + O₂). La combustion transfère du carbone de la lithosphère vers l'atmosphère.

3. Calcul de l'augmentation de CO₂ :
Augmentation en ppm : 421 − 315 = 106 ppm
Augmentation en % : (106 / 315) × 100 ≈ 33,7 % (environ 34 %)
Justification : la concentration de CO₂ a donc augmenté d'un tiers entre 1958 et 2023, soit moins de 65 ans — signe de l'accélération des émissions humaines.

Exercice 4 — Pollution de l'eau et cycle de l'azote (3 pts)
1. Mécanisme de l'eutrophisation en trois étapes :

1. Apport excessif de nutriments : les nitrates (NO₃⁻) et les phosphates (PO₄³⁻) provenant des engrais agricoles et des détergents sont lessivés par les pluies vers les cours d'eau et les lacs.
2. Prolifération algale : ces nutriments fertilisent les algues et les cyanobactéries qui se multiplient de façon excessive en surface, formant un «bloom» algal qui obscurcit l'eau.
3. Décomposition et anoxie : les algues mortes sont décomposées par des bactéries aérobies qui consomment massivement l'oxygène dissous ; quand la concentration en O₂ chute en dessous de 2 mg/L, la faune aquatique (poissons, invertébrés) meurt par asphyxie.

2. Rôle de Rhizobium dans le cycle de l'azote et intérêt agricole :

• Rôle : Rhizobium est une bactérie qui vit en symbiose dans les nodosités des racines des légumineuses (trèfle, haricot, pois, luzerne). Grâce à l'enzyme nitrogénase, elle réalise la fixation symbiotique de l'azote : elle convertit le diazote atmosphérique N₂ (non assimilable par les plantes) en ammoniac NH₃, puis en ammonium NH₄⁺ assimilable.
• Intérêt agricole : les légumineuses ainsi associées à Rhizobium enrichissent naturellement le sol en azote minéral. Les agriculteurs peuvent les intégrer dans les rotations culturales pour réduire l'utilisation d'engrais azotés de synthèse, limitant ainsi les coûts et la pollution par les nitrates.

Exercice 5 — Chimie verte (3 pts)
1. Définition de la chimie verte :
La chimie verte (ou chimie durable) est une démarche qui vise à concevoir des procédés et des produits chimiques réduisant ou éliminant l'utilisation et la production de substances dangereuses pour l'homme et l'environnement. Elle cherche également à diminuer la consommation d'énergie et à utiliser des matières premières renouvelables (formalisée en 12 principes par Anastas et Warner en 1998).

2. Calcul de l'économie d'atomes :
Formule : Économie d'atomes = (masse du produit désiré / masse totale des réactifs) × 100
Économie d'atomes = (150 g / 200 g) × 100 = 75 %
Interprétation : 75 % des atomes des réactifs se retrouvent dans le produit utile ; les 25 % restants forment des sous-produits (déchets à traiter).

3. Deux principes de chimie verte (hors économie d'atomes) :

• Prévention des déchets : il vaut mieux éviter de produire des déchets que de les traiter ou de les éliminer ensuite. On cherche à optimiser les réactions pour qu'elles génèrent le moins de sous-produits possible.
• Utilisation de solvants et auxiliaires plus sûrs : remplacer les solvants organiques toxiques (benzène, chloroformes) par des alternatives moins dangereuses comme l'eau, l'éthanol biosourcé ou le CO₂ supercritique, qui sont moins nocives pour les travailleurs et l'environnement.

(Autres principes acceptés : catalyse pour réduire la consommation d'énergie ; matières premières renouvelables plutôt que fossiles ; efficacité énergétique — travailler à température et pression ambiantes si possible.)