Sujet de brevet — Chimie et santé

Présentation du sujet

Ce sujet de brevet aborde la chimie des solutions au service de la santé : analyser la composition d’une eau minérale, identifier les ions présents, puis préparer une solution comme le sérum physiologique en maîtrisant la concentration massique.

Consignes. Durée indicative : 1 h 00. Calculatrice autorisée. Les calculs doivent comporter la formule littérale, l’application numérique et l’unité. Les formules des ions doivent être écrites correctement, avec leur charge.

Barème indicatif total : /20

• Exercice 1 — Identifier les ions d’une eau minérale : /9
• Exercice 2 — Préparer du sérum physiologique : /8
• Exercice 3 — Le pH au quotidien : /3

Conseils. Lis attentivement les documents décrivant les tests chimiques. Sois rigoureux dans l’écriture des formules d’ions (charge en exposant). Vérifie l’homogénéité de tes unités (g, L, mL) avant chaque calcul.

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Exercice 1 — Identifier les ions d’une eau minérale (9 points)

Document 1 — Tests d’identification des ions. Au laboratoire, on identifie certains ions en solution grâce à des réactifs qui forment des précipités de couleurs caractéristiques :

• L’ajout de nitrate d’argent à une solution contenant des ions chlorure fait apparaître un précipité blanc qui noircit à la lumière.
• L’ajout de soude (hydroxyde de sodium) à une solution contenant des ions cuivre II fait apparaître un précipité bleu.
• L’ajout de soude à une solution contenant des ions fer II donne un précipité vert ; avec des ions fer III, le précipité est rouille (orangé).

Document 2 — L’expérience de la classe. On dispose d’un échantillon d’eau prélevé près d’une ancienne mine. On réalise trois tests :

• Test A : quelques gouttes de nitrate d’argent → apparition d’un précipité blanc.
• Test B : quelques gouttes de soude → apparition d’un précipité rouille.
• Test C : quelques gouttes de soude sur un autre prélèvement → aucun précipité bleu n’apparaît.

Données — Formules de quelques ions. ion chlorure : Cl⁻ ; ion sodium : Na⁺ ; ion calcium : Ca²⁺ ; ion cuivre II : Cu²⁺ ; ion fer III : Fe³⁺.

1. Qu’est-ce qu’un ion ? Indique la différence entre un ion positif (cation) et un ion négatif (anion).

2. À partir du test A, indique quel ion est présent dans l’eau analysée et écris sa formule.

3. À partir du test B, indique quel ion est présent et écris sa formule.

4. Que peut-on conclure du test C concernant les ions cuivre II ?

5. Une étiquette d’eau minérale indique : « calcium (Ca²⁺) : 80 mg/L ; chlorure (Cl⁻) : 14 mg/L ». Quelle est la masse d’ions calcium contenue dans une bouteille de 1,5 L de cette eau ?

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Exercice 2 — Préparer du sérum physiologique (8 points)

Document. Le sérum physiologique est une solution de chlorure de sodium (le sel) dissous dans de l’eau. Il sert notamment à nettoyer le nez ou les yeux. Sa concentration massique est de 9 g/L : il contient 9 grammes de chlorure de sodium par litre de solution. Un infirmier souhaite en préparer un volume de 250 mL à partir de chlorure de sodium solide et d’eau distillée.

Données.

• Concentration massique du sérum physiologique : Cm = 9 g/L
• Volume à préparer : V = 250 mL
• Relation : Cm = m / V, avec Cm en g/L, m en g et V en L
• Conversion : 1 L = 1000 mL

1. Définis ce qu’est le soluté et le solvant dans le cas du sérum physiologique.

2. Convertis le volume V = 250 mL en litres (L).

3. À partir de la relation Cm = m / V, exprime la masse m de soluté à dissoudre, puis calcule-la. Donne la formule, l’application numérique et l’unité.

4. Décris brièvement le protocole (le matériel et les étapes) pour préparer cette solution.

5. Par erreur, l’infirmier verse cette masse de sel dans 500 mL d’eau au lieu de 250 mL. Calcule la concentration massique réellement obtenue. La solution est-elle plus ou moins concentrée que le sérum physiologique attendu ?

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Exercice 3 — Le pH au quotidien (3 points)

Document. On mesure le pH de trois produits du quotidien à l’aide d’un papier-pH :

• jus de citron : pH = 2
• eau pure : pH = 7
• produit pour déboucher les canalisations : pH = 13

Données. Une solution est acide si pH < 7, neutre si pH = 7, basique si pH > 7. Plus le pH s’éloigne de 7, plus la solution est concentrée et corrosive.

1. Classe les trois produits en acide, neutre ou basique.

2. Le produit pour déboucher les canalisations est très corrosif. Cite une consigne de sécurité à respecter lors de sa manipulation.

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Corrigé détaillé

Corrigé de l’exercice 1

1. Un ion est un atome (ou un groupe d’atomes) qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons ; il porte donc une charge électrique. Un cation est un ion positif (il a perdu des électrons), un anion est un ion négatif (il a gagné des électrons).

2. Le test A (nitrate d’argent → précipité blanc) est le test caractéristique des ions chlorure. L’eau contient donc des ions chlorure, de formule Cl⁻.

3. Le test B (soude → précipité rouille / orangé) est caractéristique des ions fer III. L’eau contient donc des ions fer III, de formule Fe³⁺. C’est cohérent avec une eau prélevée près d’une ancienne mine (présence de fer).

4. Le test C ne donne aucun précipité bleu : or le précipité bleu est le signe des ions cuivre II. On en conclut que l’eau ne contient pas (ou pas de quantité détectable) d’ions cuivre II (Cu²⁺).

5. L’étiquette donne une concentration de 80 mg pour 1 L. Pour 1,5 L, la masse d’ions calcium est proportionnelle au volume. m = 80 × 1,5 = 120 mg. Une bouteille de 1,5 L contient donc 120 mg d’ions calcium (soit 0,120 g).

Corrigé de l’exercice 2

1. Le soluté est l’espèce que l’on dissout : ici le chlorure de sodium (le sel). Le solvant est le liquide dans lequel on dissout le soluté : ici l’eau (distillée). L’ensemble soluté + solvant forme la solution.

2. On convertit le volume en litres : 1 L = 1000 mL, donc on divise par 1000. V = 250 mL = 250 / 1000 = 0,250 L.

3. On part de Cm = m / V que l’on réécrit pour isoler la masse : m = Cm × V. m = 9 × 0,250 = 2,25 g. Il faut dissoudre 2,25 g de chlorure de sodium pour préparer 250 mL de sérum physiologique.

4. Protocole. À l’aide d’une balance, on pèse 2,25 g de chlorure de sodium dans une coupelle. On verse ce sel dans une fiole jaugée de 250 mL, on ajoute de l’eau distillée environ aux deux tiers, on bouche et on agite pour dissoudre, puis on complète avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge des 250 mL. On homogénéise en retournant la fiole.

5. On garde la même masse m = 2,25 g, mais le volume devient V = 500 mL = 0,500 L. On utilise Cm = m / V. Cm = 2,25 / 0,500 = 4,5 g/L. La concentration obtenue (4,5 g/L) est inférieure à 9 g/L : en doublant le volume d’eau, la solution est deux fois moins concentrée (plus diluée) que le sérum physiologique attendu.

Corrigé de l’exercice 3

1. Classement à partir des valeurs de pH :

• jus de citron : pH = 2 < 7 → solution acide ;
• eau pure : pH = 7 → solution neutre ;
• produit déboucheur : pH = 13 > 7 → solution basique.

2. Lors de la manipulation d’un produit aussi corrosif, il faut porter des lunettes de protection et des gants (on peut aussi citer : porter une blouse, manipuler dans un endroit aéré, ne jamais respirer ni goûter le produit, tenir le flacon loin du visage). Cela protège la peau et les yeux des projections.