Conditions de stabilité de l’hydrate de méthane

1.Ecrire l’enchaînement de réaction menant à la modification du pH des océans.

2.Depuis l’ère industrielle, le pH des eaux de mers et des océans diminue ou augmente-t-il ? Justifier.

3.Le pH moyen des eaux de mers et des océans était de 8,15 avant l’ère industrielle, et se situe désormais autour de 8,05. Déterminer à quel pourcentage d’augmentation en ions oxonium cela correspond.

4.Décrire l’influence du pH sur la solubilité du CO2(g).

5.Les coquilles des organismes marins sont constituées de CaCO3. En déduire pourquoi les coraux sont menacés par les activités humaines.

6.Le carbone est principalement présent dans les océans sous trois formes qui coexistent.

Figure 1

Variation en fonction du pH des rapports [CO2] / CT, [HCO3−] / CT et [CO32−] / CT, en %, dans une eau de salinité 35 et à 25°C sans échange avec l’atmosphère. Le domaine des pH habituels des eaux de mer (7,5 à 8,6) est délimité par des tirets.
Source : Le cycle océanique du carbone dans la colonne d'eau , ACCES ENS [Utilisé avec une autorisation de ACCES]

a. Parmi ces espèces chimiques lesquelles coexistent dans les eaux de mer de pH habituels et quel est l’espèce majoritaire ?

b. Déduire les valeurs de pKa1 et pKa2  du diagramme précédent et dessiner sur un diagramme les domaines de prédominance des espèces CO2(aq), HCO3–(aq) et
 CO32–(aq)

7.Il est également possible d’écrire la réaction du carbonate de calcium avec le dioxyde de carbone de la manière suivante :

CaCO3(s) + CO2,H2O(aq) D Ca2+(aq) + 2HCO3– (aq)

Exprimer, en fonction du produit de solubilité Ks du carbonate de calcium et des constantes d'acidité de l'acide carbonique Ka1, Ka2, la constante d'équilibre K° de cette réaction, puis la calculer à 298 K.

8. A pH de 8,15, écrire la réaction de dissolution du CO2(g) formant l’espèce majoritaire en solution. Déterminer à 298K, la valeur de la constante thermodynamique d’équilibre associée cette réaction et la solubilité du CO2 dans l’eau pure. (PCO2 = 4,0.10-4 bar).

9. Quel est l'influence d'une augmentation de pression partielle en CO2, à température constante, sur la solubilisation du dioxyde de carbone gazeux dans l'eau pure ?

10. A partir du graphique ci-dessous :

figure 2

Solubilité du CO2 dans différentes conditions
Source : Geochimica et Cosmochimica Acta, 2013, 110, 229–252

a. Quel est l’effet de l’augmentation de la température des océans sur la solubilité du dioxyde de carbone dans l’eau ? En déduire dans quelles zones du globe terrestre l'océan joue le plus son rôle de pompe physique à CO2.

b. Quel est l’effet de la diminution de la salinité provoqué par la fonte des glaces sur la solubilité du dioxyde de carbone dans l’eau ?

c. Quel est l’effet de l’augmentation de la pression en CO2 atmosphérique provoqué par l’augmentation des émissions anthropiques sur la solubilité du dioxyde de carbone dans l’eau ?

11. Une augmentation de l’émission de CO2, implique-t-elle une augmentation proportionnelle de l’absorption des puits de carbone ?

Figure 3

Source : Emissions de CO2 anthropique cumulées, absorbées d’ici 2100, par les puits terrestres et océaniques, selon les cinq scénarios représentatifs 
Source : SPM - Summary for Policymakers, Rapport GIEC, 2023 [CC BY-NC-ND 4.0]

12. Le Gulf Stream est un courant océanique chaud de surface prenant sa source entre la Floride et les Bahamas, le long de la côte est des États-Unis et qui se disperse dans l'océan Atlantique quelque part au large de la Nouvelle-Écosse et de Terre-Neuve. Le Gulf Stream est donc un courant marin participant à plus grande échelle à une circulation océanique mondiale et qui permet de réguler le climat sur l'Europe occidentale notamment.

Figure 4

Source : Circulation thermohaline océanique mondiale
Source : Great ocean conveyor belt, GRID Arendal, 2015 [CC BY-NC-ND 4.0]

Le moteur de la circulation océanique thermohaline est la différence de densité due à la salinité et à la température des eaux. Les eaux arctiques sont plus denses car elles sont plus froides et plus salées. Les eaux atlantiques sont moins denses car elles sont plus chaudes et moins salées. Les premières plongent donc sous les secondes en direction de l'Arctique, créant une aspiration des eaux atlantiques vers le nord. Une revue de Geophysical Research Letters affirme que durant ces 40 dernières années (précisément entre 1982 et 2021), la perte de vitesse du Gulf Stream est de l'ordre des 4%.

Quel est l’effet d’un ralentissement du Gulf Stream sur le stockage du CO2 dans les océans ?

13. On parle de boucle de rétroaction lorsque la réponse d’un système à un stimuli externe impacte le stimuli lui-même. Cette réponse peut conduire à atténuer ou à amplifier le stimuli. Dans le premier cas, on parle de rétroaction négative (la réaction s’oppose à ce qui l’a causé). Dans le second, de rétroaction positive (la réaction renforce sa propre cause). En utilisant l’ensemble des résultats obtenus dans cette partie, identifier différente boucle de rétroaction lié aux océans.

Données :

KsCaCO3 = 10-8,3

K(CO2(g)→CO2(l)) = 10-1,6

PCO2 = 4,0.10-4 bar

Sources :

Bac S 2013 Nouvelle-Calédonie

CCINP Chimie PC 2022

Agro Veto 2015