Physique chimie, les nappes phréatiques, bac SPCL Antilles 2026

Partie 1 : pollution des nappes phréatiques (7,5 points).
La pollution des nappes phréatiques peut se faire par ruissellement, par infiltration mais également par interaction entre la nappe et les cours d’eaux. Différentes pollutions des eaux ont été identifiées telles que la pollution par les ions nitrate et par les composés chlorés.
A. Dosage des ions nitrate par spectrophotométrie UV-visible.
Le dosage des ions nitrate NO₃ ⁻ est nécessaire pour contrôler la qualité des nappes phréatiques. Les ions nitrate étant incolores en solution, il n’est pas possible de les doser directement par spectrophotométrie UV-visible. Il est nécessaire de les transformer par une réaction chimique totale en une nouvelle espèce ionique, notée NS⁻, de coloration jaune-vert stable qui permet alors de réaliser un dosage colorimétrique par spectrophotométrie UV-visible. Le spectre d’absorption d’une solution aqueuse contenant l’espèce NS⁻ est donné sur le document ci-dessous.

Q1. Déterminer, à partir du spectre d’absorption, la longueur d’onde à sélectionner sur le spectrophotomètre.
Q2. Justifier, en utilisant le cercle chromatique représenté, la couleur jaune-vert des ions NS⁻ en solution.
L'ion NS^- de couleur vert jaune présente un maximum d'absorption dans le violet rouge, vers 420 nm.
Une gamme d’étalonnage est réalisée à partir d’une solution mère d’ions NS⁻ de concentration C_mère = 1,50 mmol·L⁻¹. Un protocole simplifié de préparation de la gamme d’étalonnage est mis en œuvre : pour préparer les solutions filles de concentration en quantité de matière C_fille, on place un volume V_mère de solution mère dans une fiole jaugée de 50 mL, puis on complète avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge.
Q3. Déterminer le volume de solution mère à prélever pour préparer une solution fille de concentration C_fille = 0,15 mmol·L⁻¹.
Facteur de dilution : C_mère /C_fille = 10.
V_mère = 50 / 10 = 5 mL.
On mesure l’absorbance A des solutions filles à la longueur d’onde déterminée à la question Q1. La courbe d’étalonnage montrant l’évolution de l’absorbance A en fonction de la concentration en quantité de matière C_fille en ions NS⁻ est représentée ci-dessous.

Un échantillon d’eau d’une nappe phréatique, noté S, est prélevé. Après transformation des ions nitrate NO₃ ⁻ en ions colorés NS⁻, cet échantillon est dilué 10 fois : cette solution est notée S’. On mesure l’absorbance de la solution S’: A(S’) = 0,435.
Q4. Déterminer, à l’aide de la courbe d’étalonnage, la concentration en quantité de matière C’ des ions NS⁻ de la solution S’.
A=k C ; C = 0,435/ 4,15 = 0,105 mmol / L.
On admet que la valeur de la concentration en quantité de matière des ions NS⁻ obtenue correspond à celle des ions nitrate NO₃ ⁻ avant leur transformation en ions NS⁻.
Q5. Montrer que la concentration en quantité de matière C(NO₃⁻ ) en ions nitrate dans l’eau de la nappe est de 1,05 mmol.L⁻¹.
Tenir compte de la dilution au dixième : 0,105 * 10 = 1,0 5 mmol / L.
La masse molaire de l’ion nitrate vaut 62,0 g.mol⁻¹.
Q6. Concluresur la qualité de l’eau de l’échantillon analysé.
1,05 x62,0 =65,1 mg / L
Cette valeur étant comprise entre 50 et 100, l'eau n'est pas conforme, mais potable.
Q7. Justifier la nécessité d’avoir dilué 10 fois l’échantillon d’eau d’une nappe phréatique.
Concentration et absorbance ne sont proportionnelles qu'aux faibles concentrations.
Q8. Citer deux exemples de sources d’erreurs possibles de manipulation au cours de l’expérimentation pour déterminer la concentration.
Erreur sur les volumes lors de la dilution et de la préparation des solutions filles.

B. Pollution par les espèces chimiques chlorées.
Les espèces chimiques chlorées sont peu biodégradables et peu retenues dans le sol. Elles passent alors plus rapidement de la surface à la nappe phréatique. Ce type de pollution est observé dans les zones urbaines et industrielles ou dans les décharges non contrôlées. Parmi ces espèces chimiques chlorées, le dichloroéthène de formule brute C₂H₂Cl₂ est utilisé en tant qu’intermédiaire réactionnel lors de synthèses organiques.
Q9. Représenter les formules développées des trois isomères ayant pour formule brute C₂H₂Cl₂.

Q10. Identifier, parmi les représentations données en Q9. celle qui porte le nom de (Z)-1,2-dichloroéthène en nomenclature officielle.

Une autre espèce chimique chlorée, le 2-chloropropane, est un intermédiaire réactionnel rencontré lors de la synthèse de pesticides. On étudie la synthèse de cette espèce chimique à partir du propan-2-ol. L’équation de réaction de cette synthèse s’écrit :

Q11. Nommer le type de réaction conduisant à la formation du 2-chloropropane parmi : réaction acide-base, oxydation, réduction, addition, substitution, élimination.
Substitution.
Au cours de la réaction, il se forme un ion intermédiaire représenté ci-dessous :

Q12. Préciser la nature de l’ion intermédiaire.
Carbocation.
Q13. Indiquer, en utilisant la théorie VSEPR, la géométrie de l’ion intermédiaire.
Ion plan, structure type AX₃, plane ; les angles entre les substituants sont proches de 120 °.
Q14. Compléter, à l’aide du formalisme de la flèche courbe, une étape du mécanisme fournie.

. Dans la synthèse étudiée, on peut ajouter aux réactifs du chlorure de zinc de formule ZnCl₂, qui a un rôle de catalyseur.
Q15. Préciser le rôle d’un catalyseur.
Un catalyseur est une substance qui accélère une réaction chimique sans être consommée par celle-ci. Il retrouve son état iitial à la fin de la transformation

Une pollution à un composé chloré a été détectée dans l’eau d’une nappe phréatique. L’analyse RMN du solvant présent dans cette eau est effectuée dont le spectre RMN du proton est présenté ci-dessous.

Q16. Justifier, en utilisant le spectre RMN du document, le nom de la molécule chlorée présente dans l’eau de la nappe parmi : (Z)-1,2-dichloroéthène ; 2-chloropropane.
Le spectre RMN indique la présence d'un proton porté par un carbone avec 6 protons identiques portés par les atomes de carbone voisins.

Partie 2 : mesure de la taille des microplastiques (5 points)
Les microplastiques, par leur présence dans les cours d’eau, les mers et les océans, ont un impact important sur la faune et la flore aquatiques, les produits de la pêche ainsi que sur l’eau de consommation. Les microplastiques sont donc des sujets d’étude de haute importance, d’après l’Anses, l’agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentaire, de l’environnement et du travail.
L’objectif de cette partie est de mesurer la taille des microplastiques présents dans les nappes phréatiques. Pour cela des échantillons d’eau contaminée sont filtrés et les particules de plastiques les plus grandes sont mesurées par diffraction à l’aide d’un capteur CCD.
Protocole de mesure :
- on éclaire un échantillon de microplastique de taille a placé entre deux lames de microscope avec un laser de longueur d’onde l = 648 nm ;
- le capteur CCD sensible à l’intensité lumineuse, est placé à une distance D = 100 cm de l’objet diffractant ;
- la mesure de la largeur L de la tache centrale est réalisée à l’aide du capteur CCD. Le schéma du montage est donné dans le document ci-dessous.

Q17. Retrouver, à l’aide du schéma du montage, l’expression suivante : q = L / (2D).
tan q ~q = ½L / D.
L’acquisition de la figure de diffraction permet d’obtenir l’enregistrement représenté ci-dessous.
Q18. Mesurer, à l’aide du document, la largeur L de la tache centrale.

On admet que, pour la forme du microplastique étudié, l’angle q vérifie la relation suivante : q = 1,22 × λ/ a
Q19. Exprimer la taille a du microplastique en fonction de L, D et λ.
Q20. Montrer que la taille a du microplastique est d’environ 0,25 mm.
q = 1,22 × λ/ a=L / (2D).
a = 2 *1,22 × λD / L =2 *1,22 x648 10^-9 x 1,00 / (6 10^-3) =2,6 10^-4 m ~0,26 mm.
On peut estimer l’incertitude-type sur la mesure de la taille a à l’aide de la relation suivante :
u(a) = a [(u(L) / L)²+(u(l) / l)²+(u(D) / D)²] ^½.
u(D) = 0,08 cm ; u(l) = 2 nm ; u(L) = 0,2 mm.
Q21. Calculer la valeur de l’incertitude-type u(a) sur la valeur de la taille a du microplastique.
u(a) =0,25 [(0,2) / 6)²+(2 / 648)²+(0,08) / 100)²] ^½~ 8 10^-3 mm.
Q22. Exprimer le résultat obtenu à la question Q20 avec son incertitude-type associée.
a = 0,26 ±8 10^-3 mm.
On considère que la distance minimale d’observation distincte d’un objet à l’œil nu vaut d_m = 25 cm. C’est à cette distance que le diamètre apparent, noté a, d’un objet observé à l’œil nu est le plus élevé.
Q23. Établir, en s’appuyant sur un schéma très simple reproduit sur la copie et en utilisant l’approximation des petits angles, que ce diamètre apparent est a= a /d_m.

Q24. Calculer la valeur du diamètre apparent α du microplastique.
0,026 / 25 ~1,0 10^-3 rad.
Le pouvoir séparateur de l’œil est de 3×10⁻⁴ rad.
Q25. Indiquer, en justifiant, s’il est possible d’observer le microplastique à l’œil nu.
1,0 10^-3 > 3×10⁻⁴ rad. L'observation à l'oeil nu est possible.