Corrigé bac physique-chimie 2026 — Exercice 2 : La dépollution par les plantes pour extraire du nickel

Sujet officiel du baccalauréat, spécialité physique-chimie, session 2026. Corrigé rédigé par Ibrahim Alame.

Travailler ce sujet sur Adloun Sujet officiel (PDF) Corrigé complet (PDF)

Énoncé

La restauration de la qualité des sols et des eaux grâce aux végétaux, notamment dans les anciens sites industriels, devient une alternative sérieuse à la production de nickel par extraction de minerais. Une nouvelle filière a ainsi vu le jour. Elle récupère des métaux biosourcés comme le nickel grâce à des plantes « hyperaccumulatrices » comme Phyllanthus rufuschaneyi capables d'absorber, accumuler et stocker des quantités importantes de nickel.

Cet exercice traite de la photosynthèse dans une plante, puis de l'extraction du nickel obtenu grâce aux plantes hyperaccumulatrices ainsi que de sa purification par électrolyse, et enfin de son utilisation dans les batteries de trottinettes électriques.

(Source : the university of Queensland)

1. Photosynthèse dans la plante

Lors de la photosynthèse, les plantes vertes synthétisent des matières organiques. Grâce à l'énergie lumineuse, elles transforment le dioxyde de carbone de l'air et l'eau puisée par le système racinaire, en glucose $C X_{6} H X_{12} O X_{6} (aq)$ et en dioxygène.

Données : couples oxydant-réducteur : $O X_{2} (g) / H X_{2} O (l)$ ; $CO X_{2} (g) / C X_{6} H X_{12} O X_{6} (aq)$

Q.1. Écrire les demi-équations électroniques associées aux couples oxydant-réducteur mis en jeu lors de la photosynthèse.

Q.2. En déduire l'équation de la réaction modélisant la transformation ayant lieu lors de la photosynthèse.

Q.3. Nommer la forme d'énergie produite lors de la photosynthèse.

2. Extraction et purification du nickel Ni par électrolyse

Après la récolte, les plantes sont calcinées et broyées. Le nickel est alors extrait des cendres obtenues puis purifié. Le pourcentage en masse de nickel peut atteindre 12,7 % d'une plante séchée de Phyllanthus rufuschaneyi.

Sur un terrain de 100 m², jusqu'à 1,0 kg de plante séchée de Phyllanthus rufuschaneyi peut être récolté.

Q.4. Déterminer la masse maximale de nickel récupérée sur un terrain de 100 m².

Pour récupérer le nickel solide, on dissout les cendres issues des plantes séchées dans l'eau et on obtient une solution aqueuse qui contient des ions $Ni X^{2 +} (aq)$ .

On effectue une électrolyse permettant de déposer le nickel sur une électrode afin d'obtenir du nickel de grande pureté.

Pour ce faire, la cuve à électrolyse contient une solution aqueuse acidifiée contenant les ions nickel $Ni X^{2 +} (aq)$ et deux électrodes inattaquables. L'une est en titane et l'autre en carbone.

Données :

Charge électrique élémentaire : $e = 1, 6 \times 1 0^{- 19} C$ ;
Constante d'Avogadro : $N_{A} = 6, 02 \times 1 0^{23} mo l^{- 1}$ ;
Constante de Faraday : $F = N_{A} \times e = 96500 C \cdot mo l^{- 1}$ ;
Masse molaire atomique du nickel (Ni) : $M (Ni) = 58, 7 g \cdot mo l^{- 1}$ ;
Relation entre la capacité $Q$ , l'intensité $I$ et la durée d'utilisation $Δ t$ d'une pile $Q = I \cdot Δ t$ .

Sous l'effet du courant électrique, les ions nickel $Ni X^{2 +} (aq)$ se transforment en nickel métallique à l'une des électrodes, selon la réaction électrochimique d'équation : $Ni X^{2 +} (aq) + 2 e X^{-} Ni (s)$ .

Q.5. Indiquer s'il s'agit d'une réaction d'oxydation ou de réduction.

Q.6. Reproduire un schéma simplifié du montage de la figure 1 et indiquer sur ce schéma :

le sens de déplacement des électrons ;
le sens conventionnel du courant électrique ;
le dépôt de nickel.

L'électrolyseur est parcouru par un courant électrique constant d'intensité $I = 2, 0 A$ . On supposera qu'il n'y a pas de réactions parasites aux électrodes.

Q.7. Déterminer la durée de l'électrolyse permettant de purifier $1, 3 \times 1 0^{2} g$ de nickel.

Q.8. Commenter la durée de l'électrolyse. Proposer une solution pour réduire cette durée.

Ce procédé permet d'obtenir du nickel pur à 99,9 % adapté aux applications industrielles.

3. Utilisation dans les batteries de trottinettes électriques

Les batteries utilisées dans les trottinettes électriques sont en majorité des batteries lithium-ion type NMC (Nickel-Manganèse-Cobalt) : elles présentent un bon équilibre entre la performance et le coût.

On s'intéressera à une batterie Li-NMC 622 dont une électrode contient 60 % de nickel, 20 % de manganèse et 20 % de cobalt en masse.

Données :

Masse totale de l'électrode contenant le nickel $m_{e ˊ l ec t r o d e} = 0, 53 kg$ ;
1 hectare (ha) : $1 ha = 1, 0 \times 1 0^{4} m^{2}$ .

On estime les pertes à 45 % en nickel, suite aux trois étapes de l'extraction à la purification.

Q.9. Calculer, en s'appuyant sur le résultat obtenu à la question Q.4, le nombre de batteries qu'il serait possible de produire avec le nickel extrait à partir des plantes séchées, en supposant de pouvoir effectuer une récolte sur 1 millier d'hectares. Commenter.

Corrigé

1. Photosynthèse dans la plante

Q.1. Les deux demi-équations électroniques associées aux couples mis en jeu : $6 CO X_{2} (g) + 24 H X^{+} + 24 e X^{-} C X_{6} H X_{12} O X_{6} (aq) + 6 H X_{2} O (l) (\times 1)$ $2 H X_{2} O (l) O X_{2} (g) + 4 H X^{+} + 4 e X^{-} (\times 6)$

Q.2. En simplifiant par les ions $H X^{+}$ et l'eau, on obtient l'équation de la réaction de photosynthèse : $6 CO X_{2} (g) + 6 H X_{2} O (l) C X_{6} H X_{12} O X_{6} (aq) + 6 O X_{2} (g)$

Q.3. La photosynthèse produit de l'énergie chimique stockée dans le glucose.

2. Extraction et purification du nickel

Q.4. On peut récupérer $12, 7 %$ de $1, 0 kg$ , soit : $m_{ma x} = 0, 127 \times 1, 0 = 0, 13 kg$ $m_{ma x} \approx 0, 13 kg$

Q.5. L'oxydant $Ni X^{2 +}$ capte deux électrons et se transforme en réducteur Ni. Il s'agit d'une réduction et se fait au niveau de l'électrode.

Q.6. (schéma : le dépôt de nickel et la réduction $Ni X^{2 +} (aq) + 2 e X^{-} Ni (s)$ ont lieu à la cathode ; les électrons circulent dans le circuit extérieur depuis le générateur vers cette électrode, et le courant conventionnel circule en sens inverse.)

Q.7. On veut former $1, 3 \times 1 0^{2} g$ de nickel. Cela correspond à une quantité de matière : $n_{N i} = \frac{m}{M ( Ni )} = \frac{1 , 3 \times 1 0 ^{2} g}{58 , 7 g \cdot mo l ^{- 1}} = 2, 2 mol$ D'après la demi-équation de réduction $n_{N i} = \frac{n _{e^{-}}}{2}$ , ou $n_{e^{-}} = 2 n_{N i}$ . Il faut donc consommer 4,4 mol d'électrons. $Q = n_{e^{-}} \cdot F = I \cdot Δ t \Rightarrow Δ t = \frac{n _{e^{-}} \cdot F}{I}$ $Δ t = \frac{4 , 4293 \times 96500}{2 , 0} = 2, 1 \times 1 0^{5} s = 59 h$ $Δ t \approx 2, 1 \times 1 0^{5} s \approx 59 h$ Remarque : on effectue toujours les calculs avec les valeurs non arrondies.

Q.8. Cette durée est très longue, ce qui n'est pas adapté à l'industrie « le temps c'est de l'argent ». Il faudrait réduire cette durée pour cela on peut augmenter l'intensité $I$ du courant.

Q.9. On veut produire des batteries dont une électrode contient 60 % de nickel et une masse de $m_{e ˊ l ec t r o d e} = 0, 53 kg$ . Mais il y a une perte de 45 %, donc il reste 55 % ainsi on obtient $m_{N i} = 0, 55 \times 0, 127 m_{1000 ha}$ : Pour 100 m² on a un rendement de $0, 127 \times 1, 0 = 0, 13 kg$ par terrain de 100 m². Par proportionnalité, sur une surface de 1 ha $= 1, 0 \times 1 0^{4} m^{2}$ : $100 m^{2} \to m_{100} = 6, 985 \times 1 0^{- 2} kg$ et $1000 ha = 1000 \times 1, 0 \times 1 0^{4} = 1, 0 \times 1 0^{7} m^{2} \to m_{mi l l i er}$ : $m_{mi l l i er} = \frac{6 , 985 \times 1 0 ^{- 2} kg \times 1 , 0 \times 1 0 ^{7} m ^{2}}{100 m ^{2}} = 6, 985 \times 1 0^{3} kg$ de nickel pour 1 millier d'hectares. Il faut maintenant déterminer la masse de nickel dans une batterie. Son électrode contient 60 % de nickel et a une masse de $m_{e ˊ l ec t r o d e} = 0, 53 kg$ . Donc une batterie contient $m_{ba tt} = 0, 60 \times 0, 53 = 0, 318 kg$ . On peut calculer le nombre de batteries $N = \frac{m _{mi l l i er}}{m _{ba tt}}$ : $N = \frac{6 , 985 \times 1 0 ^{3}}{0 , 318} = 2, 2 \times 1 0^{4} batteries de trottinette.$ On obtient un très grand nombre de batteries. Ainsi cette piste semble intéressante car elle permet de dépolluer et en même temps de produire beaucoup de batteries. Cependant il faut nuancer car on a ici une surface immense d'un millier d'hectares. Existe-t-il de si grandes surfaces polluées ? Peut-être d'anciennes mines de nickel en Nouvelle Calédonie ?

Poser une question au tuteur sur ce sujet