Concentrations d’Acide dans les Eaux Usées
Calculer différentes expressions de la concentration d'un acide dans un échantillon d'eaux usées, déterminer son pH et envisager sa dilution.
La pollution acide des eaux est un problème environnemental majeur. L'analyse chimique permet de déterminer la concentration des polluants acides et d'évaluer l'impact sur le milieu.
La concentration molaire (\(C\)) d'une espèce chimique en solution est la quantité de matière (\(n\)) de cette espèce par litre de solution : \(C = n/V\). Elle s'exprime en mol/L.
La concentration massique (\(C_m\)) est la masse (\(m\)) de cette espèce par litre de solution : \(C_m = m/V\). Elle s'exprime en g/L.
Ces deux concentrations sont liées par la masse molaire (\(M\)) de l'espèce : \(C_m = C \cdot M\).
Pour un acide fort monoprotique comme l'acide chlorhydrique (HCl), qui se dissocie totalement dans l'eau en ions \(H_3O^+\) et \(Cl^-\), la concentration en ions hydronium \([H_3O^+]\) est égale à la concentration molaire de l'acide apporté \(C_{acide}\). Le pH de la solution est alors donné par :
Lors d'une dilution, la quantité de matière de soluté se conserve : \(n_{initial} = n_{final}\), ce qui conduit à la relation \(C_{initial} \cdot V_{initial} = C_{final} \cdot V_{final}\).
Données du Problème
Un échantillon d'eaux usées industrielles est analysé. On suspecte la présence d'acide chlorhydrique (HCl).
- Volume de l'échantillon d'eaux usées analysé : \(V_{echantillon} = 250 \text{ mL}\)
- Masse d'acide chlorhydrique (HCl) trouvée dans cet échantillon : \(m_{HCl} = 0.1825 \text{ g}\)
Masses molaires atomiques :
- Hydrogène (H) : \(M(H) = 1.0 \text{ g/mol}\)
- Chlore (Cl) : \(M(Cl) = 35.5 \text{ g/mol}\)
Questions
- Calculer la masse molaire moléculaire de l'acide chlorhydrique (HCl).
- Calculer la quantité de matière d'HCl (\(n_{HCl}\)) présente dans l'échantillon de 250 mL d'eaux usées.
- En déduire la concentration molaire (\(C_{HCl}\)) de l'acide chlorhydrique dans cet échantillon.
- Calculer la concentration massique (\(C_{m,HCl}\)) de l'acide chlorhydrique dans cet échantillon. Vérifier la relation \(C_m = C \cdot M\).
- L'acide chlorhydrique étant un acide fort, calculer le pH de cet échantillon d'eaux usées.
- On souhaite diluer cet échantillon de 250 mL pour que la concentration molaire en HCl devienne \(C'_{HCl} = 0.0050 \text{ mol/L}\). Quel volume d'eau distillée faut-il ajouter ?
Correction : Concentration d’Acide dans les Eaux Usées
1. Calcul de la Masse Molaire de l'Acide Chlorhydrique (HCl)
\(M(HCl) = M(H) + M(Cl)\).
Données :
- \(M(H) = 1.0 \text{ g/mol}\)
- \(M(Cl) = 35.5 \text{ g/mol}\)
La masse molaire de l'acide chlorhydrique est \(M(HCl) = 36.5 \text{ g/mol}\).
2. Calcul de la Quantité de Matière d'HCl (\(n_{HCl}\))
On utilise \(n = m/M\).
Données :
- \(m_{HCl} = 0.1825 \text{ g}\)
- \(M(HCl) = 36.5 \text{ g/mol}\) (calculée)
La quantité de matière d'HCl dans l'échantillon est \(n_{HCl} = 0.00500 \text{ mol}\).
Quiz Intermédiaire
3. Calcul de la Concentration Molaire (\(C_{HCl}\))
On utilise \(C = n/V\). Le volume doit être en Litres.
Données :
- \(n_{HCl} = 0.00500 \text{ mol}\)
- \(V_{echantillon} = 250 \text{ mL} = 0.250 \text{ L}\)
La concentration molaire de l'acide chlorhydrique est \(C_{HCl} = 0.0200 \text{ mol/L}\).
4. Calcul de la Concentration Massique (\(C_{m,HCl}\))
Méthode 1 : \(C_m = m/V\). Méthode 2 : \(C_m = C \cdot M\).
Données :
- \(m_{HCl} = 0.1825 \text{ g}\)
- \(V_{echantillon} = 0.250 \text{ L}\)
- \(C_{HCl} = 0.0200 \text{ mol/L}\)
- \(M(HCl) = 36.5 \text{ g/mol}\)
Méthode 1 :
Méthode 2 (vérification) :
La concentration massique de l'acide chlorhydrique est \(C_{m,HCl} = 0.730 \text{ g/L}\).
Quiz Intermédiaire
5. Calcul du pH de l'Échantillon d'Eaux Usées
HCl est un acide fort, il se dissocie totalement dans l'eau : \(HCl(aq) + H_2O(l) \longrightarrow H_3O^+(aq) + Cl^-(aq)\). Donc, \([H_3O^+] = C_{HCl}\). Et \(pH = -\log([H_3O^+])\).
Donnée :
- \(C_{HCl} = 0.0200 \text{ mol/L}\)
Le pH de l'échantillon d'eaux usées est d'environ \(1.70\).
6. Volume d'Eau à Ajouter pour Dilution
Lors d'une dilution, la quantité de matière de soluté se conserve : \(n_{initial} = n_{final}\). Donc \(C_{HCl} \cdot V_{echantillon} = C'_{HCl} \cdot V_{final}\). On cherche \(V_{eau\_ajoutée} = V_{final} - V_{echantillon}\).
Données :
- \(C_{HCl} = 0.0200 \text{ mol/L}\)
- \(V_{echantillon} = 0.250 \text{ L}\)
- \(C'_{HCl} = 0.0050 \text{ mol/L}\) (concentration finale souhaitée)
Calcul du volume final \(V_{final}\) :
Calcul du volume d'eau à ajouter :
Il faut ajouter \(0.750 \text{ L}\) (ou 750 mL) d'eau distillée à l'échantillon.
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Glossaire des Termes Clés
Concentration Molaire (\(C\)) :
Quantité de matière de soluté par litre de solution. Unité : mol/L.
Concentration Massique (\(C_m\)) :
Masse de soluté par litre de solution. Unité : g/L.
Masse Molaire (\(M\)) :
Masse d'une mole d'une substance. Unité : g/mol.
Quantité de Matière (\(n\)) :
Mesure du nombre d'entités élémentaires. Unité : mole (mol).
pH :
Mesure de l'acidité ou de la basicité d'une solution aqueuse. \(pH = -\log([H_3O^+])\).
Acide Fort :
Acide qui se dissocie totalement dans l'eau, libérant tous ses protons \(H^+\) (qui se lient à \(H_2O\) pour former \(H_3O^+\)).
Dilution :
Processus consistant à diminuer la concentration d'un soluté dans une solution, généralement en ajoutant du solvant.
Questions d'Ouverture ou de Réflexion
1. Quelles sont les conséquences environnementales d'un déversement d'acide dans un cours d'eau ?
2. Pourquoi est-il important de connaître la concentration d'un acide avant de tenter de le neutraliser ?
3. Si l'acide déversé était un acide faible (par exemple, l'acide éthanoïque), comment cela changerait-il le calcul du pH initial ?
4. Quelles sont les principales méthodes de traitement des eaux usées industrielles acides avant leur rejet dans l'environnement ?
5. Le pH des océans diminue lentement à cause de l'absorption du \(CO_2\) atmosphérique. Quelles sont les implications de cette "acidification des océans" ?
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