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Exercice – Physique-Chimie (25 points)
Les démarches engagées et les essais, même non aboutis, seront pris en compte.
La voiture à hydrogène
L’automobile contribue à l’émission de gaz à effet de serre et de polluants atmosphériques. Les constructeurs tentent de réduire leur impact sur l’environnement. La voiture équipée d’une pile à hydrogène est une des alternatives à la traditionnelle voiture à essence.
Une voiture à hydrogène ne rejette que de la vapeur d’eau. La « pile à hydrogène » incorporée est une pile à combustible. Celle-ci utilise, pour fonctionner, un apport en dihydrogène (le combustible) et en dioxygène (le comburant). Le dihydrogène se combine avec le dioxygène de l’air en produisant de l’eau. À cette transformation est associée une conversion d’énergie chimique en énergie thermique et énergie électrique. Un moteur électrique permet alors de propulser la voiture.
Cette technologie est parfaite pour réduire la pollution à l’échelle locale. Par contre, elle ne permet pas de réduire la pollution globale : le dihydrogène n’existe pas sur Terre à l’état naturel et plus de 90 % du dihydrogène produit sont issus de ressources d’énergie fossile.
Question 1 (8 points)
- Extraire des informations ci-dessus un argument montrant que l’utilisation d’une voiture fonctionnant avec une « pile à hydrogène » peut présenter un inconvénient d’un point de vue environnemental.
- De la même manière, montrer que le fonctionnement d’une pile à hydrogène s’appuie sur une transformation chimique.
- Toujours d’après ces informations, associer sur votre copie chacun des trois numéros du diagramme ci-dessous à une forme d’énergie choisie parmi les suivantes : énergie électrique, énergie cinétique, énergie thermique, énergie nucléaire, énergie potentielle, énergie chimique.
Correction Question 1
Hydrogène — Pile à hydrogène — Énergies
1a.L'hydrogène n'existe pas sur Terre à l'état naturel.
Cela veut dire qu'on ne le trouve pas directement dans la nature, il faut le fabriquer.
En plus, plus de 90 % de l'hydrogène produit vient de ressources d'énergie fossile (comme le pétrole ou le gaz), qui polluent beaucoup.
C'est pour cela qu'une pile à hydrogène peut avoir un inconvénient pour l'environnement : même si elle ne rejette que de l'eau, sa fabrication peut polluer.
1b.Une pile à hydrogène fonctionne grâce à une transformation chimique.
Le dihydrogène (H2) réagit avec le dioxygène (O2) pour former de l'eau.
On peut écrire la réaction ainsi :
H2 + 1/2 O2 → H2O
Cela veut dire que l'hydrogène et l'oxygène se mélangent pour donner de l'eau, et cette réaction libère de l'énergie.
2 : énergie thermique (c'est la chaleur produite),
3 : énergie électrique (c'est l'électricité que l'on peut utiliser pour faire fonctionner des appareils).
Banque de données
Test d’identification d’espèces chimiques :
| Espèce chimique | Détecteur | Observations |
|---|---|---|
| ion cuivre (II) Cu²⁺ | solution d’hydroxyde de sodium | formation d’un précipité bleu |
| eau | sulfate de cuivre anhydre | changement de couleur : passage du blanc au bleu |
| ion chlorure Cl⁻ | solution de nitrate d’argent | formation d’un précipité blanc |
Question 2 (7 points)
On recueille un échantillon du liquide produit par la pile à hydrogène.
Proposer un protocole expérimental, sous forme de phrases et de schémas, permettant de mettre en évidence la présence d’eau dans cet échantillon.
On dispose du matériel présenté dans la banque de données.
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Question 3 (10 points)
La majorité des automobiles fonctionne actuellement avec des moteurs à essence ou Diesel. Plusieurs types de polluants sont émis : CO₂, monoxyde de carbone, oxydes d’azote, hydrocarbures imbrûlés.
Les émissions de monoxyde de carbone d’un moteur à essence varient selon la vitesse :
Émissions de monoxyde de carbone en fonction de la vitesse sur route plane :
Question 3 (10 points)
- Les émissions de monoxyde de carbone sont-elles proportionnelles à la vitesse du véhicule ? Justifier.
- À l'aide de la courbe ci-dessus, on peut montrer que l'augmentation des émissions en monoxyde de carbone est de 3 L/h lorsque la vitesse passe de 40 à 50 km/h. Calculer la valeur de l'augmentation des émissions lorsque la vitesse passe de 100 à 110 km/h. Comparer ce résultat à la valeur de 3 L/h. Conclure.
- Sur une autoroute, un véhicule parcourt à vitesse constante 55 km en 30 min. Évaluer le volume de monoxyde de carbone émis durant ce trajet.
Le véhicule émet-il moins de 9,6 L/h lorsque la norme Euro 5 qui limite la valeur de l'émission de monoxyde de carbone à 9,6 L/h lorsque le véhicule roule à cette vitesse.
Toute démarche même partielle sera prise en compte.
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