Chapitre 2 – Classification périodique et ions — Activité de découverte

Première Bac Pro | Physique-Chimie | Groupement 5 (Chimie et procédés)

Situation professionnelle — Diagnostic d'un sol contaminé avant construction

Célia est apprentie en géomètre-topographe dans un cabinet d'études pour l'aménagement urbain. Son bureau d'études a été mandaté pour étudier un terrain industriel désaffecté avant la construction d'un complexe sportif.

Le rapport de diagnostic du sol reçu par Célia indique la présence de plusieurs ions dans les prélèvements d'eau souterraine :

Ions métalliques : Pb²⁺ (5,2 mg/L), Cu²⁺ (1,8 mg/L), Zn²⁺ (3,4 mg/L), Fe³⁺ (12 mg/L)
Ions non métalliques : SO₄²⁻ (230 mg/L), NO₃⁻ (45 mg/L), Cl⁻ (180 mg/L)

Le chef de projet lui demande d'analyser ces données avant la réunion de chantier.

Problématique : Comment utiliser la classification périodique et la chimie ionique pour identifier, classer et évaluer les risques liés aux ions présents dans ce sol ?

Partie 1 – Identification et classification des ions

Questions 1 à 4

Classer les ions détectés en deux groupes : cations et anions. Pour chaque ion, indiquer sa charge.
Pour les cations métalliques (Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Fe³⁺), retrouver le symbole et le numéro atomique Z de chaque élément dans la classification périodique.
Combien d'électrons chaque atome neutre a-t-il ? Combien en a l'ion correspondant ? Dresser un tableau récapitulatif.
Les ions Pb²⁺ et Cu²⁺ portent la même charge (+2). Sont-ils pour autant identiques chimiquement ? Justifier.

Cations : Pb²⁺ (+2), Cu²⁺ (+2), Zn²⁺ (+2), Fe³⁺ (+3).
Anions : SO₄²⁻ (−2), NO₃⁻ (−1), Cl⁻ (−1).
Pb (Z=82), Cu (Z=29), Zn (Z=30), Fe (Z=26).
Ion Z e⁻ atome neutre e⁻ ion

Pb²⁺ 82 82 80

Cu²⁺ 29 29 27

Zn²⁺ 30 30 28

Fe³⁺ 26 26 23
Non : la charge (+2) est la même mais les atomes sont différents (Z différents : Pb a 82 protons, Cu en a 29). Ils n'ont pas les mêmes propriétés chimiques, biologiques ou toxicologiques → leurs effets sur la santé et leur comportement dans le sol sont différents.

Ion	Z	e⁻ atome neutre	e⁻ ion
Pb²⁺	82	82	80
Cu²⁺	29	29	27
Zn²⁺	30	30	28
Fe³⁺	26	26	23

Partie 2 – Évaluation des risques sanitaires

Normes de qualité de l'eau pour usage sensible (arrêté français) :

Ion	Limite réglementaire (mg/L)	Concentration mesurée (mg/L)
Pb²⁺	0,010	5,2
Cu²⁺	2,0	1,8
Zn²⁺	5,0	3,4
Fe³⁺	0,2	12
NO₃⁻	50	45

Questions 5 à 7

Pour chaque ion du tableau, indiquer si la concentration mesurée dépasse la limite réglementaire. Calculer le facteur de dépassement (concentration mesurée / limite) pour les ions non conformes.
Quel ion présente le dépassement le plus important ? Quels risques sanitaires particuliers pose-t-il pour des enfants qui pratiqueraient des activités sportives sur ce terrain ?
Deux des ions mesurés sont dans la norme. Lesquels ? Peut-on pour autant considérer le terrain comme sûr ? Expliquer.

- Pb²⁺ : 5,2 / 0,010 = 520 fois la limite → non conforme.
- Cu²⁺ : 1,8 < 2,0 → conforme.
- Zn²⁺ : 3,4 < 5,0 → conforme.
- Fe³⁺ : 12 / 0,2 = 60 fois la limite → non conforme.
- NO₃⁻ : 45 < 50 → conforme.
Le Pb²⁺ présente le dépassement le plus grave (×520). Le plomb est un neurotoxique majeur pour les enfants : il perturbe le développement du cerveau, provoque des troubles cognitifs et des retards mentaux même à de très faibles doses. L'exposition peut se faire par ingestion de poussières de sol lors des activités physiques.
Cu²⁺, Zn²⁺ et NO₃⁻ sont dans la norme. Malgré cela, le terrain n'est pas sûr : la contamination au plomb et au fer est massive et doit être traitée (dépollution, confinement ou remplacement des terres) avant tout usage par le public, surtout des enfants.

Partie 3 – Lien avec la classification périodique

Questions 8 à 10

Placer approximativement les éléments Pb, Cu, Zn et Fe dans la classification périodique en indiquant leur période (ligne) et leur groupe (colonne).
Aide : Fe (Z=26, période 4), Cu (Z=29, période 4), Zn (Z=30, période 4), Pb (Z=82, période 6).
Fe, Cu et Zn sont tous en période 4 et sont des métaux de transition. Qu'ont-ils en commun chimiquement ? Que peuvent-ils avoir de différent ?
Célia doit rédiger une recommandation synthétique en 5 lignes pour son chef de projet. Rédiger cette recommandation en précisant : quels ions sont problématiques, pourquoi, et quelle action prioritaire proposer.

- Fe (Z=26) : période 4, groupe 8 (métaux de transition)
- Cu (Z=29) : période 4, groupe 11
- Zn (Z=30) : période 4, groupe 12
- Pb (Z=82) : période 6, groupe 14 (métal pauvre)
Fe, Cu, Zn (métaux de transition, période 4) ont en commun leur caractère métallique et leur tendance à former des cations chargés (Fe²⁺/Fe³⁺, Cu²⁺, Zn²⁺). Ils diffèrent par la charge de leurs ions stables, leur solubilité, leur toxicité et leur comportement dans l'environnement (corrosion, précipitation, complexation).
Recommandation : « L'analyse du sol révèle une contamination majeure en ions Pb²⁺ (520 fois la limite) et Fe³⁺ (60 fois la limite). Le plomb est un neurotoxique grave pour les enfants ; sa présence rend le projet incompatible avec un usage sportif public en l'état. Je recommande en priorité : (1) une dépollution des terres contaminées par excavation et remplacement, (2) une étude complémentaire sur les sources de contamination, (3) un suivi de la qualité de l'eau souterraine avant tout début de construction. »