STRATEGIE DE RESOLUTION DES EXERCICES : EAU

Notions qu'il faut avoir en tête :

• L'eau est une molécule polaire avec une forte constante diélectrique. C'est un bon solvant des autres molécules polaires.
• L'eau dissocie les acides faibles. L'équilibre de dissociation est décrit par la constante d'acidité Ka.
• L'eau et les ions (ou des parties polaires de molécules) s'associent par interactions électrostatiques
• L'eau est susceptible de former des liaisons hydrogène. Les atomes d'hydrogène de la molécule d'eau sont "donneurs" dans l'interaction électrostatique de la liaison hydrogène. L'oxygène de la molécule d'eau avec ses 2 doublets d'électrons est "receveur" .

Exercice modèle

Un camion transportant 20 tonnes d'acide acétique est victime d'un accident. Il y a une fuite du contenu de la citerne. L'accident est grave car une partie du chargement s'est probablement déversée dans la nappe phréatique. La réseve d'eau de la nappe est estimée à 1 milion de litres.

Un expert est dépéché sur place pour mesurer le pH. Il trouve un pH de 3.11. Que doit-il en conclure quant à l'ampleur de la pollution? Quelle(s) solution(s) peut-il proposer pour faire face à la situation ?

Ka de l'acide acétique est 1.8 10^-5; la masse molaire de l'acide acétique est 60 g/mol

Analyse de la réponse :

On décrypte les données en répondant aux questions :

Quelle réaction chimique est mise en cause ici ?
C'est la réaction de dissociation de l'acide acétique (c'est à dire sa réaction avec l'eau) :
CH₃COOH + H₂O <=> CH₃COO^- + H₃O⁺

Comment (par quel paramètre, par quelle grandeur) peut-on décrire cette réaction ?
On peut décrire la réaction par la valeur de Ka (ou de pKa), par la concentration initiale de l'acide et par la valeur du pH.

Comment ces paramètres (ou grandeurs) sont-ils reliés ?
L'expression de Ka est :
Ka = [CH₃COO^-] [H₃O⁺] / [CH₃COOH] = 1.8 10^-5

On voit d'après la stoechiométrie de la réaction que [CH₃COO^-] = [H₃O⁺]. On déduit de la faible valeur de Ka que l'acide acétique se dissocie peu donc que la concentration en acide non dissocié est peu différente de la concentration initiale Co.

On peut donc réduire la valeur de Ka a :
Ka = [H₃O⁺] ² / Co

Quel paramètre mesure-t-on ?
On mesure le pH. On voit d'après l'expression précédente de Ka que : [H₃O⁺] ² = Ka /Co.
En passant sous forme logarithmique : pH =1/2 (pKa - log Co)

Il existe donc une relation simple entre la valeur du pH et la concentration initiale de l'acide. En mesurant le pH, on peut calculer Co.

On cherche la solution numérique :

1. pH mesuré = 3.11 donc la concentration Co = ............. mol / L

2. Le volume de la nappe phréatique est 1 million de litres donc le nombre de mol (la quantité) d'acide acétique déversé est : .......... mol

3. La masse d'acide acétique déversée est : quantité en mol x masse molaire =..............g.
Ce qui équivaut à : ...........% du chargement du camion.

4. Quelle(s) solution(s) envisager pour diminuer la pollution ?
Pour neutraliser un acide, on ajoute une ............
Pour amener le pH à une valeur stable , on ajoute un ..........
Dans le cas de figure envisagé, on peut suggérer d'introduire un tampon comme le bicarbonate de sodium (pKa = 6.37) qui n'est pas toxique. L'eau traitée pourra avoir un pH convenable mais n'aura pas bon goût.