Exercice I Les fourmis détiennent-elles la clé du carburant du futur ...

Bac S 2013 Nouvelle Calédonie Session de remplacement Mars 2014
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EXERCICE I - LES FOURMIS DETIENNENT-ELLES LA CLÉ
DU CARBURANT DU FUTUR ? (5 points)
D'après le communiqué de presse de l'École Polytechnique Fédérale de
Lausanne (EPFL) du 30 novembre 2010 (Journaliste : Lionel Pousaz)
L'hydrogène est souvent désigné comme le futur remplaçant des carburants
fossiles. Il est facilement produit à partir d'énergie électrique.
Écologique et performant, il n'en présente pas moins de nombreux
inconvénients. Extrêmement inflammable, il doit être stocké dans
d'encombrantes bouteilles pressurisées. Autant d'obstacles à son
utilisation, que les scientifiques de l'EPFL et leurs confrères du Leibniz-
Institut für Katalyse ont levés, en stockant l'hydrogène sous la forme
d'acide formique. Grâce à un catalyseur et au CO2 présent dans
l'atmosphère, les scientifiques ont transformé l'hydrogène en acide
formique.
Plutôt qu'une lourde bouteille de fonte remplie d'hydrogène sous pression,
ils obtiennent ainsi une substance très peu inflammable et liquide à
température ambiante. Une solution pour accumuler l'énergie des sources
renouvelables comme le solaire ou l'éolien, ou alimenter la voiture de
demain.
En novembre 2010, seconde étape. Les laboratoires sont parvenus à
provoquer le phénomène inverse : par le biais d'une catalyse, l'acide
formique retourne de manière totale à l'état de CO2 et d'hydrogène, lequel
peut ensuite être transformé en énergie électrique. Un prototype
fonctionnel, peu encombrant et d'une puissance de deux kilowatts est
d'ores et déjà au point.
Stocker les énergies renouvelables
« Imaginez par exemple que vous ayez des cellules solaires sur votre toit,
explique Gabor Laurenczy, professeur au Laboratoire de chimie
organométallique et médicinale et chef de Groupe de catalyse pour
l'énergie et l'environnement. Par mauvais temps ou pendant la nuit, votre
pile à combustible (H2, O2) vous restitue le trop-plein d'énergie accumulé
quand le soleil brillait. » Dans une telle configuration, le procédé
permet de restituer plus de 60% de l'énergie électrique de départ.
Cette solution est extrêmement sure. L'acide formique libère de manière
continue de très petites quantités d'hydrogène, « juste ce dont vous avez
besoin sur le moment pour votre consommation électrique », relève le
chercheur.
Autre avantage par rapport au stockage conventionnel, le procédé permet de
stocker presque le double d'énergie à volume égal. En effet, un litre
d'acide formique peut libérer par une transformation chimique plus de 53
grammes d'hydrogène contre à peine 28 grammes pour un même volume
d'hydrogène pur pressurisé à 350 bars.
Enfin, les chercheurs ont travaillé sur un procédé de catalyse basé sur le
fer, métal facilement disponible et peu coûteux en comparaison des métaux
« nobles » comme le platine ou le ruthénium.
De l'acide formique à la pompe
C'est sans doute dans le domaine automobile que l'invention présente les
potentiels les plus intéressants. Actuellement, les prototypes produits
par certaines grandes marques stockent l'hydrogène sous forme classique,
avec les problèmes que l'on sait : danger d'explosion, volume important
occupé par le réservoir pressurisé, difficultés pour faire le plein
rapidement...
Les véhicules du XXIème siècle pourraient rouler à l'acide formique. Cette
solution permet un stockage de l'hydrogène non seulement plus sûr, mais
également plus compact et plus simple à remplir à la pompe - l'acide
formique est liquide à température ambiante. « Techniquement, c'est tout à
fait faisable. D'ailleurs, de grands constructeurs nous ont contactés en
2008, quand le baril de pétrole a atteint des sommets, confie Gabor
Laurenczy. À mon sens, le seul obstacle est économique. » Il s'écoulera
encore quelques années avant de peut-être pouvoir faire le plein à la
première fourmilière croisée sur le chemin. Toutes les questions sont indépendantes. 1. L'acide formique dans les nouvelles chaines énergétiques Données
> formule développée de l'acide formique : ;
> densité de l'acide formique par rapport à l'eau : dAH = 1,22 ;
> masse volumique de l'eau ( = 1,0 kg.L-1 ;
> masse molaire atomique de l'hydrogène : MH = 1,0 g.mol-1 ;
> masse molaire atomique de l'oxygène : MO = 16,0 g.mol-1 ;
> masse molaire atomique du carbone : MC = 12,0 g.mol-1 ; 1.1. Donner trois arguments qui indiquent que l'acide formique serait plus
avantageux que l'hydrogène dans les véhicules du futur. 1.2. Démontrer que l'affirmation du texte « un litre d'acide formique peut
libérer par une transformation chimique plus de 53 grammes d'hydrogène »
est vraie. 1.3. Compléter la chaîne des conversions d'énergie et des transformations
chimiques en ANNEXE I À RENDRE AVEC LA COPIE avec les termes suivant : CO2,
énergie électrique, O2, HCO2H.
2. L'acide formique en milieu biologique Dans la dernière phrase de l'article, le journaliste évoque la possibilité
de faire le plein de carburant à la première fourmilière croisée sur le
chemin. Depuis très longtemps les scientifiques s'intéressent à l'acide
formique. En 1671, le naturaliste anglais John Ray a isolé, par
distillation d'un grand nombre de fourmis mortes, un liquide incolore à
forte odeur âcre et au caractère acide nommé acide formique. 2.1. Piqûre de fourmi Les fourmis se défendent en mordant avec leurs mandibules et, pour
certaines espèces, en projetant de l'acide formique dans la morsure. La
réaction avec l'eau des tissus occasionne des brûlures. D'après www.desinfestation.ch 2.1.1. Pourquoi l'acide formique est-il un acide selon la théorie de
Brönsted ? 2.1.2. Écrire l'équation de la réaction chimique à l'origine des
brûlures. 2.2. L'estomac du tamanoir
La digestion des aliments dans l'estomac nécessite un milieu acide de pH
environ égal à 2. Chez la plupart des mammifères, ce pH est atteint grâce à
la production d'acide chlorhydrique dans l'organisme. En revanche,
l'appareil digestif du tamanoir est différent en raison de son régime
alimentaire : il mange jusqu'à 30 000 fourmis par jour !
Données > l'acide formique est un acide faible dans l'eau ;
> pKA du couple acide / ion formiate (HCO2H (aq) / HCO2-(aq)) : 3,8 ;
> pKA du couple eau / ion hydroxyde (H2O (l) / HO- (aq)) : 14,0 ;
> pKA du couple ion oxonium / eau (H3O+(aq) / H2O (l)) : 0 ;
> pH = -log([H3O+]) avec [H3O+] en mol.L-1 ;
> pH > - log (c) pour une solution aqueuse d'acide faible de
concentration c (en mol.L-1) en soluté apporté. 2.2.1. Quelle est l'espèce prédominante du couple acide formique / ion
formiate dans l'estomac des tamanoirs ? Justifier. 2.2.2. La concentration en acide formique apporté dans l'estomac du
tamanoir est-elle égale, inférieure ou supérieure à 10-2 mol.L-1 ?
Justifier. 2.2.3. Proposer une hypothèse justifiant le fait que les tamanoirs n'ont
pas besoin de produire d'acide chlorhydrique pour leur digestion.
ANNEXE I À RENDRE AVEC LA COPIE
ANNEXE DE L'EXERCICE I :
Chaîne des conversions d'énergie et des transformations chimiques
Énergie électrique -----------------------
H C O H O Abdomen dirigé vers la zone de morsure Mandibules Tamanoir
O2 H2O Électrolyse H2O ................... H2 CO2 ................... ................... ................... Transformation chimique catalysée Transformation chimique catalysée H2 Pile à combustible