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نموذج المباراة الوطنية المشتركة CNC 2025: الكيمياء - شعبة MP لولوج مدارس المهندسين

🏢 المباراة الوطنية المشتركة CNC (الأقسام التحضيرية) 👤 مباراة ولوج المدارس العليا للمهندسين 🎯 الكيمياء 📅 2025 👁️ 41 مشاهدة

باختصار

هذا نموذج امتحان كتابي سابق لمباراة مباراة ولوج المدارس العليا للمهندسين لدى المباراة الوطنية المشتركة CNC (الأقسام التحضيرية) (2025)، منشور على وظيفة إنفو للاطلاع والتحميل المجاني بصيغة PDF مع تصحيح مقترح.

الجهة المنظمة
المباراة الوطنية المشتركة CNC (الأقسام التحضيرية)
الدرجة
مباراة ولوج المدارس العليا للمهندسين
التخصص
الكيمياء
الدورة
2025
عدد الصفحات
6
لغة الأسئلة
الفرنسية
التصحيح
تصحيح مقترح متوفر في هذه الصفحة
الموضوع الرسمي لاختبار الكيمياء في المباراة الوطنية المشتركة (CNC) دورة 2025 لولوج المدارس العليا للمهندسين والمؤسسات المماثلة، الخاص بطلبة الأقسام التحضيرية شعبة MP. يتضمن هذا النموذج 6 صفحة من نص الاختبار الأصلي. تجد في الموقع مواضيع باقي المواد والسنوات لنفس المباراة.
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📝 نص أسئلة النموذج (مستخرج آلياً من الصفحات الممسوحة)

استُخرج هذا النص آلياً من صور الامتحان وقد يحتوي على أخطاء في القراءة — الصور أعلاه هي المرجع.

— صفحة 1 —
Concours National Commun - Session 2025 - Filière MP

L’énoncé de cette épreuve comporte 6 pages.
L'usage de la calculatrice est aUtOrisé

On veillera à une présentation claire et soignée des copies. Il convient en particulier de rappeler avec
précision les | références | des questions abordées.

Dans les applications numériques, une attention particulière sera prêtée au nombre de chiffres
significatifs à utiliser pour afficher les résultats. La valeur numérique de toute grandeur doit être
accompagnée de son unité.

Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, il le signale sur sa
copie et poursuit sa composition en indiquant les raisons des initiatives qu'il est amené à prendre.

Le carbone

Le carbone est très abondant dans l'univers. Il est présent sur Terre à l'état de corps simple
(charbon et diamants), de composés inorganiques (CO») et de composés organiques (biomasse,
pétrole et gaz naturel). Cet élément est indispensable à la vie organique sur Terre. Cependant,
le dioxyde de carbone est fortement responsable de l'effet de serre. En effet, depuis la révolution
industrielle, l'Homme ne cesse d'accroître sa consommation en combustibles fossiles et de répandre
de grandes quantités de de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. C’est la raison pour laquelle les
scientifiques cherchent à élaborer des méthodes pour réduire son émission ou pour le stocker afin
de le recycler.

Le sujet est constitué de quatre parties largement indépendantes.

Données numériques :

e Numéros atomiques du carbone C et de l'oxygène O : Ze = 6; Zo = 8.

Rayon de l'atome de carbone : r = 8 x 10-11 m.

Masses molaires : du carbone Me = 12 g.mol”*!, d'oxygène Mo = 16 g.mol”* et d'hdrogène
My = 1g.mol*.

Masse volumique de l’eau : p(eau) = 1000 g.L*.

Nombre d’Avogadro : N4 = 6,02 x 1023 mol”*.

Constante des gaz parfaits : R = 8,31 ‏.ا امم‎

Enthalpies standards de formation et entropies standards à 298 K :

Composés CO, ( 9 ) Ma» S7 O4 ( 5 ) MgCO3 ( s ) Si ‏و0‎ 8 )

4 | 0 مستا

Constantes d’acidité des couples de l'acide carbonique à 298 K :
PKai(H2CO3/HCO5) = 6,3; pKa(HCO; /CO2-) = 10,3.

Épreuve de Chimie 1/6 Tournez la page S.V.P.

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Concours National Commun - Session 2025 - Filière MP

1** partie
Structures atomique et moléculaire
(Note : 4/20)

1.1. Donner la configuration électronique du carbone dans son état fondamental. Indiquer quels
sont les électrons de la couche de valence.

1.2. Dans quelle colonne et dans quelle ligne du tableau périodique trouve-t-on le carbone ?

1.3. Donner la configuration électronique de l'atome d’oxygène dans son état fondamental.
Indiquer quels sont les électrons de la couche de valence.

1.4.  Enrespectant la valence de chacun des atomes de carbone et d'oxygène, donner la représentation
de LEWIS de la molécule de dioxyde de carbone de formule moléculaire CO».

1.5. Quelle est la géométrie de la molécule de CO» ? Justifier.

2°m° partie

Variétés allotropiques du carbone

Le carbone solide existe dans la nature sous plusieurs variétés allotropiques. Les plus connues
sont le graphite et le diamant.

2.1. Structure cristalline du carbone diamant

Dans la structure diamant, les atomes de carbone forment une structure cubique à faces centrées
avec la moitié des sites tétraédriques occupés. Chaque atome de carbone est lié à ses proches voisins
par une liaison covalente.

2.1.1. Représenter la maille cristalline du carbone diamant.
2.1.2. Définir et calculer la coordinence et le nombre d’atomes par maille.
2.1.3. Montrer que, dans la structure diamant, le paramètre de maille a et le rayon r d’un atome

3
de carbone sont liés par la relation : 7 = 25 :

2.14. En déduire la compacité du diamant. Calculer sa valeur numérique.

2.1.5. Calculer la masse volumique du diamant.

2.2. Etude de l’équilibre diamant-graphite
On étudie l'équilibre :
Cgraphite = Caiamant (1)
Les enthalpies standards de formation, les entropies standards et les volumes molaires donnés

ci-dessous sont considérés comme indépendants de la température. On suppose, en plus, que les
solides sont incompressibles.

‎188 0

‎Épreuve de Chimie 2/6 ‏يه‎

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Concours National Commun - Session 2025 - Filière MP

2.2.1. Calculer l’enthalpie libre de la réaction (1) dans les conditions normales ) 7 = 298 K,
P = P° = 1 bar). En déduire laquelle de ces deux formes cristallines est stable dans les conditions
normales.

2.2.2. Peut-on réaliser l'équilibre chimique (1) sous la pression P° = 1 bar par une modification
de température ? Montrer que, quelle que soit la température, le graphite est la variété thermody-
namiquement stable du carbone sous une pression de 1 bar.

2.2.3. Comment peut-on expliquer que la variété de carbone instable thermodynamiquement
ne se transforme pas spontanément en la variété stable et puisse tout-de-même être observée dans
la nature ?

2.2.4. Sous quelle pression minimale doit-on opérer à 298 K pour préparer du carbone dia-
mant ? Commenter.

3ème partie
Le dioxyde de carbone en solution aqueuse

3.1. Dissolution du dioxyde de carbone gazeux dans l’eau

La dissolution du dioxyde de carbone gazeux dans l’eau donne l'acide carbonique H3C O3. On
s'intéresse à l'étude de l'équilibre chimique suivant :

CO»2(g) + H2O(ligq) 2 H2CO3(ag) (2)

Sa constante d'équilibre est K, = 2,5 x 107? à 298 ‏كا‎ La pression sera exprimée en bar et
les concentrations molaires en mol.L7*. Dans les deux questions suivantes, le caractère diacide de
l’acide carbonique H,CO3 n’est pas pris en compte.

3.1.1. Ecrire l'expression de la concentration molaire de l'acide carbonique [H,CO3(aq)] en
fonction de la pression partielle du dioxyde de carbone gazeux ‏ووم‎ et de la constante d'équilibre

3.12. On donne Poo, = 4 x 107* bar, calculer la concentration molaire en dioxyde de carbone
dissous dans l’eau à 298 K.

3.1.3. Définir la solubilité d’une espèce chimique.

Le dioxyde de carbone possède des propriétés acides qu’on prendra en compte pour étudier
l'influence du pH sur sa solubilité dans l’eau à 298 K.

3.1.4. Montrer que la solubilité du dioxyde de carbone peut se mettre sous la forme :

es [H;0*] ١ 78

Exprimer les constantes a, b et c en fonction de K» et des constantes d’acidité de l'acide carbonique
Kai et Kaz-

3.15. Tracer le diagramme de prédominance acido-basique relatif aux espèces H,CO3(aq),
1700 (aq) et COT (aq).

On considère une solution aqueuse dont le pH est fixé à 8,3 (eau de mer) et la pression partielle
en dioxyde de carbone Poo, fixée à 4,0 x 107*bar (dioxyde de carbone atmosphérique).

Épreuve de Chimie 3/6 Tournez la page S.V.P.

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Concours National Commun - Session 2025 - Filière MP

3.1.6. Déterminer la valeur de la solubilité s, exprimée en mol.L*, du dioxyde de carbone
atmosphérique dans l’eau de mer.

3.2. Dosage de l’ion hydrogénocarbonate dans une eau minérale

Le bicarbonate (ou ion hydrogénocarbonate HCO;) dans l’eau provient de la dissolution du
gaz carbonique CO» dans les sources naturelles. Plus il y en a, plus l’eau est gazeuse. Le bicarbonate
facilite la digestion et aide à réguler le pH du sang.

Pour déterminer la concentration en ion hydrogénocarbonate dans une eau minérale, on réalise
le dosage par pH-métrie de 50,0mL de cette eau à l'aide d’une solution d'acide chlorhydrique
(H3OŸ*, CI7) de concentration molaire 5,0 x 1072mol.L-*.

Le schéma du dispositif expérimental pour réaliser ce dosage est représenté sur la figure ci-
dessous.

(1) هه

3.2.1. Donner les noms des objets (1), (2) et (3).
3.2.2. Par quel instrument doit-on mesurer le volume de 50mL d’eau à doser ?

Lors de l'expérience, on a relevé qu'initialement le pH est pH) = 7, 4 et qu’à l’équivalence, on a
‏وو للم‎ = 4,4. A l'équivalence, le volume versé de la solution titrante est Ve = 14,4 mL.

3.2.3. Ecrire l'équation de la réaction de dosage. Justifier.

3.2.4. Déterminer l'expression de la constante d'équilibre de la réaction de dosage en fonction
des données du problème.

3.25. Calculer la valeur numérique de la constante d'équilibre de la réaction de dosage.
Commenter.

3.2.6. Déterminer la concentration molaire de l'ion hydrogénocarbonate dans l’eau minérale
dosée.

Épreuve de Chimie 4/6 ‏يهب‎

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qème

partie
Transformer le dioxyde de carbone en pierre

Les scientifiques ont établi le lien entre l'augmentation de la teneur en dioxyde de carbone dans
l'atmosphère et l'augmentation de la température terrestre moyenne. Pour faire face au défi du
changement climatique, diverses solutions de stockage du dioxyde de carbone sont actuellement
explorées. Parmi celles-ci, la capture et le stockage géologique du CO» apparait comme une option
prometteuse. Il s’agit de stocker les résidus industriels riche en dioxyde de carbone dans des roches
basaltiques. Ces roches, présentant des propriétés basiques, piègent le ‏و0‎ sous forme de carbonate
de calcium ou de magnésium. Le dioxyde de carbone gazeux se transforme ainsi en pierre. Cette
technique, connue sous le nom de procédé CarbFix, a été mise au point en Islande.

Dans toute cette partie, on modélise les roches basaltiques par la forstérite 119510

41. Stockage géologique à sec du dioxyde de carbone

Pour le piéger dans la roche basaltique, le dioxyde de carbone est injecté sous haute pression
dans des couches rocheuses situées entre 400 m et 800 m de profondeur où la température est de
3090 à 80°C. La réaction (3) qui modélise la transformation chimique qui se produit a pour équation
bilan :

Mg25i01(s) + 2CO2(9) Z 2M9CO3(s) + SiO2(s) 3)

On suppose que les enthalpies standards de formation et les entropies standards sont indépendantes
de la température.

4.1.1. Calculer l’enthalpie standard et l’entropie standard de la réaction (3).
4.1.2. Calculer la constante d'équilibre Æ de la réaction (3) à 80°C (353 K).

4.13. Rappeler la loi de van’t Hoff, puis étudier l'effet de la température sur la thermody-
namique de la réaction (3).

4.1.4. Déterminer la pression partielle en CO» minimale que doit avoir le gaz injecté pour que
la fixation sous forme de carbonate de magnésium puisse se faire à 80°C.

4.2. Utilisation de l’eau pour le stockage géologique du dioxyde de carbone

Au lieu de l'utiliser directement, le CO» capturé est dissous sous pression dans l’eau pour
former une solution d'acide carbonique 771:02 ‏(وه)‎ (voir réaction (2)). Cette solution est injectée
dans les roches basaltiques entre 400 m et 500 m de profondeur. Le contact entre la solution et ces
roches entraîne leur dissolution partielle et libèrent ainsi des ions ‏27و11‎ (aq) et Ca** (aq). Ces ions
réagissent avec l'ion carbonate CO37 (aq) pour former du carbonate de calcium CaCOz(s) ou de
magnésium MgCOz(s). Le dioxyde de carbone est ainsi capturé sous forme de carbonates sous
terre.

Dans le procédé CarbFix, l’eau et le dioxyde de carbone gazeux sont injectés dans la cavité
rocheuse, sous pression 25 bar et à une température comprise entre 20 °C et 30°C. Le débit en masse
d’eau liquide est de 1800 g.s”! et le débit en masse de dioxyde de carbone gazeux est de 70 g.s7!. On
suppose que l'intégralité du dioxyde de carbone gazeux injecté est dissous dans l’eau. On appelle
S la solution aqueuse obtenue. On suppose que l'ajout de dioxyde de carbone gazeux à l’eau ne fait
pas varier le volume du liquide.

4.2.1. Déterminer la concentration molaire ‏ول‎ de la solution S d’acide carbonique.

Épreuve de Chimie 5/6 Tournez la page S.V.P.

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Concours National Commun - Session 2025 - Filière MP

On prendra par la suite : ‏و0‎ = 0,88 mol.L!. On ne tient compte que de la première acidité de
l’acide carbonique.

4.2.2. Déterminer la composition molaire de la solution S à l'équilibre. En déduire le pH de
cette solution. Commenter.

4.2.3. Justifier la nécessité d'utilisation de l’eau dans le procédé de stockage géologique du
dioxyde de carbone. Voyez-vous un inconvénient de ce procédé ?

FIN DE L'ÉPREUVE

Épreuve de Chimie 6/6 FIN

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✅ التصحيح المقترح

هذا تصحيح مقترح من إعداد فريق wadifa-info لمساعدتك على فهم منهجية الإجابة — وليس تصحيحاً رسمياً صادراً عن الإدارة المنظِّمة. أسئلة هذا الامتحان محررة بالفرنسية، لذلك التصحيح محرر بالفرنسية أيضاً.

Ce modèle est l'épreuve de chimie du Concours National Commun (CNC) 2025, filière MP, pour l'accès aux écoles d'ingénieurs après les classes préparatoires. Thème : « Le carbone », en quatre parties largement indépendantes : structure atomique et moléculaire (4/20), variétés allotropiques (diamant, graphite), CO2 en solution aqueuse (solubilité, dosage des hydrogénocarbonates), puis minéralisation du CO2 (procédé CarbFix). Énoncé de 6 pages, calculatrice autorisée ; la durée n'est pas imprimée sur ces pages. Voici une correction proposée.

💡 Le jury insiste sur les chiffres significatifs et les unités : donnez chaque résultat numérique avec 2 ou 3 chiffres significatifs (comme les données) et son unité.

1re partie : structures atomique et moléculaire

1.1. Configuration du carbone

C (Z = 6) : 1s² 2s² 2p². Électrons de valence : ceux de la couche n = 2, soit 2s² 2p² (4 électrons).

1.2. Position dans le tableau

nmax = 2 : 2e ligne (période) ; 4 électrons de valence en bloc p (2s² 2p²) : 14e colonne (famille du carbone).

1.3. Configuration de l'oxygène

O (Z = 8) : 1s² 2s² 2p⁴ ; électrons de valence : 2s² 2p⁴ (6 électrons).

1.4. Schéma de Lewis de CO2

Total des électrons de valence : 4 + 2 × 6 = 16, soit 8 doublets. Le carbone est tétravalent, chaque oxygène divalent :

O=C=O, avec deux doublets non liants sur chaque atome d'oxygène et aucun sur le carbone (chaque atome respecte l'octet).

1.5. Géométrie

Méthode VSEPR : autour de C, deux « domaines » (deux doubles liaisons), aucun doublet non liant : type AX2E0. Les deux domaines s'éloignent au maximum : molécule linéaire, angle OCO = 180° (d'où un moment dipolaire global nul).

2e partie : variétés allotropiques du carbone

2.1.1. Maille du diamant

Maille cubique d'arête a : atomes aux 8 sommets et aux 6 centres des faces (réseau CFC), plus 4 atomes dans la moitié des sites tétraédriques, occupés en alternance, aux positions (¼, ¼, ¼), (¾, ¾, ¼), (¾, ¼, ¾) et (¼, ¾, ¾) en unités de a. Sur le schéma, chaque atome intérieur est au centre d'un petit cube d'arête a/2, relié à 4 atomes voisins formant un tétraèdre.

2.1.2. Coordinence et population

La coordinence est le nombre de plus proches voisins d'un atome : chaque carbone est lié à 4 voisins (tétraèdre, hybridation sp³).

Population : N = 8 × ⅛ (sommets) + 6 × ½ (faces) + 4 × 1 (sites tétraédriques) = 8 atomes par maille.

2.1.3. Relation r = a√3/8

Le contact se fait entre un atome de sommet (0, 0, 0) et l'atome du site tétraédrique (¼, ¼, ¼), c'est-à-dire le long du quart de la grande diagonale du cube : 2r = a√3/4, donc r = a√3/8.

2.1.4. Compacité

C = 8 × (4/3)πr³ / a³ = (32π/3)·(√3/8)³ = (32π/3)·(3√3/512) = π√3/16 ≈ 0,34.

Structure peu compacte (0,74 pour un CFC), conséquence des liaisons covalentes dirigées.

2.1.5. Masse volumique

a = 8r/√3 = 8 × 8·10−11/√3 ≈ 3,70·10−10 m, a³ ≈ 5,04·10−29 m³.

ρ = 8MC/(NAa³) = 8 × 12·10−3/(6,02·1023 × 5,04·10−29) ≈ 3,2·10³ kg·m−3 (≈ 3,2 g·cm−3).

2.2.1. ΔrG° à 298 K et forme stable

ΔrH° = 1,89 − 0 = 1,89 kJ·mol−1 ; ΔrS° = 2,42 − 5,68 = −3,26 J·K−1·mol−1.

ΔrG°(298) = 1890 − 298 × (−3,26) ≈ +2,86 kJ·mol−1.

Pour la transformation de deux solides purs sous P° : ΔrG = ΔrG° > 0, le sens spontané est diamant → graphite : le graphite est la forme stable dans les conditions normales.

2.2.2. Rôle de la température sous 1 bar

Sous P° : ΔrG°(T) = 1890 + 3,26 T (J·mol−1), strictement positif pour tout T > 0 (ΔrH° > 0 et −TΔrS° > 0). L'équilibre entre deux phases pures exigerait ΔrG° = 0 : c'est impossible. On ne peut pas réaliser l'équilibre (1) sous 1 bar en changeant T, et le graphite est la variété thermodynamiquement stable à toute température sous 1 bar.

2.2.3. Pourquoi le diamant existe

La transformation diamant → graphite est thermodynamiquement favorable mais cinétiquement bloquée : elle exige de rompre et de réorganiser des liaisons covalentes C–C très solides, avec une énergie d'activation énorme. À température ordinaire, la vitesse est nulle en pratique : le diamant est métastable.

2.2.4. Pression minimale à 298 K

Pour des solides incompressibles, (∂ΔrG/∂P)T = ΔVm, donc ΔrG(P) = ΔrG° + ΔVm(P − P°), avec ΔVm = 3,416·10−6 − 5,310·10−6 = −1,894·10−6 m³·mol−1.

Il faut ΔrG ≤ 0 : P − P° ≥ ΔrG°/|ΔVm| = 2861/1,894·10−6 ≈ 1,51·10⁹ Pa.

Pmin ≈ 1,5·10⁹ Pa ≈ 1,5·10⁴ bar (environ 15 000 bar).

Commentaire : le diamant, plus dense, est favorisé par la pression, mais il faut des pressions énormes. De plus, à 298 K la transformation graphite → diamant serait bloquée cinétiquement : la synthèse industrielle se fait à pression encore plus élevée et à haute température (souvent avec un catalyseur métallique) pour franchir la barrière d'activation.

3e partie : le dioxyde de carbone en solution aqueuse

3.1.1. [H2CO3] en fonction de PCO2

K2 = [H2CO3]/PCO2 (concentration en mol·L−1, pression en bar, activité de l'eau = 1), donc [H2CO3] = K2·PCO2 (loi de Henry).

3.1.2. Application numérique

[H2CO3] = 2,5·10−2 × 4·10−4 = 1,0·10−5 mol·L−1.

3.1.3. Solubilité

La solubilité d'une espèce est la quantité maximale de cette espèce qu'on peut dissoudre par litre de solution (solution saturée), à une température donnée ; pour un gaz, elle dépend aussi de sa pression partielle. Elle s'exprime en mol·L−1 (ou g·L−1).

3.1.4. Expression de s

Le CO2 dissous se répartit entre H2CO3, HCO3− et CO32− :

s = [H2CO3] + [HCO3−] + [CO32−], avec [HCO3−] = Ka1[H2CO3]/[H3O+] et [CO32−] = Ka1Ka2[H2CO3]/[H3O+]². Avec [H2CO3] = K2PCO2 :

s = K2PCO2(1 + Ka1/[H3O+] + Ka1Ka2/[H3O+]²), donc a = K2, b = Ka1, c = Ka1Ka2.

3.1.5. Diagramme de prédominance

pH < 6,3 : H2CO3 | 6,3 < pH < 10,3 : HCO3− | pH > 10,3 : CO32−.

3.1.6. Solubilité dans l'eau de mer (pH = 8,3 ; PCO2 = 4,0·10−4 bar)

Ka1/[H3O+] = 108,3 − 6,3 = 100 ; Ka1Ka2/[H3O+]² = 1016,6 − 16,6 = 1.

s = 1,0·10−5 × (1 + 100 + 1) ≈ 1,0·10−3 mol·L−1, environ 100 fois plus que la seule forme H2CO3 dissoute (3.1.2) : le milieu basique « piège » le CO2 sous forme d'ions HCO3−.

3.2.1. Noms des objets

(1) burette graduée (contenant l'acide chlorhydrique) ; (2) bécher contenant l'eau minérale, la sonde (électrode) du pH-mètre et le barreau aimanté ; (3) agitateur magnétique.

3.2.2. Prélèvement des 50 mL

Avec une pipette jaugée de 50,0 mL (munie d'une propipette), instrument de précision pour un volume fixe.

3.2.3. Réaction de dosage

HCO3−(aq) + H3O+(aq) → H2CO3(aq) + H2O(l) (H2CO3 s'écrit aussi CO2,H2O).

Justification : pH0 = 7,4 est compris entre 6,3 et 10,3, donc l'espèce carbonée prédominante dans l'eau est HCO3−. L'acide fort H3O+ réagit avec cette base ; à l'équivalence pHeq = 4,4 < 6,3, dans le domaine de H2CO3, ce qui confirme que HCO3− a été transformé en H2CO3 (et non en CO32−).

3.2.4. Constante d'équilibre

K = [H2CO3]/([HCO3−][H3O+]) = 1/Ka1 = 10pKa1.

3.2.5. Valeur numérique

K = 106,3 ≈ 2,0·10⁶ ≫ 10⁴ : réaction quasi totale (et rapide), donc adaptée à un dosage.

3.2.6. Concentration en HCO3−

À l'équivalence, n(HCO3−)initial = n(H3O+)versé : C·V0 = Ca·Veq.

C = 5,0·10−2 × 14,4/50,0 = 1,44·10−2 mol·L−1 (soit environ 0,88 g·L−1 d'ions HCO3−, M = 61 g·mol−1).

4e partie : transformer le dioxyde de carbone en pierre

4.1.1. ΔrH° et ΔrS° de la réaction (3)

Mg2SiO4(s) + 2 CO2(g) ⇄ 2 MgCO3(s) + SiO2(s)

ΔrH° = 2(−1090) + (−905) − (−2170) − 2(−394) = −127 kJ·mol−1.

ΔrS° = 2(65,5) + 43,4 − 95,0 − 2(214) = −348,6 J·K−1·mol−1 (négatif : consommation de 2 moles de gaz).

4.1.2. K à 353 K

ΔrG°(353) = −127 000 + 353 × 348,6 ≈ −3,94·10³ J·mol−1.

K = exp(−ΔrG°/RT) = exp(3944/(8,31 × 353)) = exp(1,34) ≈ 3,8.

4.1.3. Loi de van 't Hoff et effet de la température

d ln K/dT = ΔrH°/(RT²). Ici ΔrH° < 0 (exothermique) : K diminue quand T augmente. Une élévation de température est donc défavorable à la carbonatation. La température d'inversion (ΔrG° = 0) vaut Ti = ΔrH°/ΔrS° = 127 000/348,6 ≈ 364 K (≈ 91 °C) : au-delà, K < 1. Les couches à 30–80 °C restent sous cette limite, la température la plus basse étant la plus favorable.

4.1.4. Pression minimale de CO2 à 80 °C

Les solides étant purs : Q = (P°/PCO2)². La réaction avance dans le sens direct si Q < K, soit

PCO2 > P°/√K = 1/√3,84 ≈ 0,51 bar.

4.2.1. Concentration CS

En une seconde : 1800 g d'eau, soit 1,80 L ; 70 g de CO2, soit 70/44 ≈ 1,59 mol, entièrement dissous en H2CO3.

CS = 1,59/1,80 ≈ 0,88 mol·L−1.

4.2.2. Composition et pH de S (première acidité seulement)

H2CO3 + H2O ⇄ HCO3− + H3O+, Ka1 = 10−6,3 ≈ 5,0·10−7. Avec x = [H3O+] = [HCO3−] (autoprotolyse négligeable) : x²/(CS − x) = Ka1. Acide peu dissocié (x ≪ CS) : x ≈ √(Ka1CS) = √(5,0·10−7 × 0,88) ≈ 6,6·10−4 mol·L−1.

  • [H3O+] = [HCO3−] ≈ 6,6·10−4 mol·L−1 ;
  • [H2CO3] ≈ 0,88 − 6,6·10−4 ≈ 0,88 mol·L−1 ;
  • [HO−] = 10−14/6,6·10−4 ≈ 1,5·10−11 mol·L−1 (négligeable).

pH ≈ 3,2. Vérifications : x/CS ≈ 0,08 % (hypothèse justifiée) et pH < pKa1 − 1 (H2CO3 prédomine bien). Commentaire : la solution S est nettement acide, ce qui lui permet d'attaquer (dissoudre partiellement) les roches basaltiques basiques et de libérer Mg2+ et Ca2+.

4.2.3. Rôle de l'eau et inconvénient

  • Nécessité de l'eau : dissous, le CO2 forme un acide qui dissout la roche et libère les cations Mg2+/Ca2+ ; la précipitation des carbonates se fait en solution (ions CO32−) ; le CO2 dissous n'est plus un gaz léger susceptible de remonter vers la surface, ce qui sécurise le stockage ; la minéralisation est plus rapide qu'avec le gaz sec, qui doit être comprimé à forte pression (4.1.4) et reste peu réactif avec le solide.
  • Inconvénient : une consommation d'eau énorme : 1800 g d'eau pour 70 g de CO2, soit environ 26 kg d'eau par kg de CO2 stocké. S'y ajoutent l'énergie de pompage et de mise sous pression (25 bar), la nécessité de disposer de roches basaltiques, et un risque de contamination des nappes par une solution acide qui mobilise des métaux.

أسئلة شائعة حول هذا النموذج

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المصدر: مباريات ولوج المدارس والمعاهد العليا

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