Les pollutions atmosphérique et sonore des villes constituent une préoccupation écologique et de santé publique. Dans ce contexte, près de 700 taxis à hydrogène ont été déployés dans la ville de Paris. Ils sont munis de moteurs électriques alimentés par des piles à combustible.

L'objectif de cet exercice est de comprendre en quoi les taxis roulant à l'hydrogène participent à la diminution des pollutions atmosphérique et sonore.

Partie 1 - Fonctionnement de la pile à combustible (15 points)

Une pile à combustible contient, entre autres, du platine. Dans cet exercice, on admet que le noyau de cet élément chimique de symbole chimique Pt contient 78 protons et 117 neutrons.

Document 1 : Représentation symbolique d'un élément chimique

1. Calculer le nombre de nucléons de l'atome de platine.
2. Donner, en s'aidant du document 1, la représentation symbolique de l'élément platine.
3. Indiquer, en justifiant, le nombre d'électrons contenus dans un atome de platine.

L'atome de platine peut perdre deux électrons pour former un ion platine.

4. Recopier sur la copie la formule chimique correcte de l'ion platine parmi les propositions

suivantes :
$Pt^{2-}$ $Pt^{76+}$ $Pt^{2+}$ $Pt^{78+}$

L'élément platine a pour rôle d'accélérer la transformation chimique qui se déroule dans la
pile à combustible. Cette transformation met en jeu du dihydrogène et le dioxygène de l'air
pour former uniquement de l'eau.

5.Choisir, parmi les propositions A, B, C et D suivantes, l'équation de réaction chimique
ajustée qui décrit la transformation chimique qui a lieu dans une pile à combustible en
recopiant la lettre correspondante sur la copie.

A) $2 H_{2}O \longrightarrow 2H_{2} + O_{2}$
B) $H_{2} + O_{2} \longrightarrow 2 H_{2}O$
C) $2 H_{2} + O_{2} \longrightarrow 2 H_{2}O$
D) $2 H_{2}O \longrightarrow 2 H_{2} + O_{2}$

6.À partir des informations décrivant la transformation chimique ayant lieu dans la pile à combustible ou à l'aide de l'équation de la réaction chimique, préciser pourquoi ce type de véhicule permet de limiter la pollution atmosphérique dans les villes.

Partie 2 - Quelques caractéristiques du moteur électrique (10 points)

Cette pile à combustible permet de fournir de l'énergie électrique qui alimente le moteur du taxi.
Le moteur électrique convertit cette énergie pour permettre au taxi d'avancer.

Document 2: Chaîne de conversion énergétique du moteur électrique

7.Recopier sur la copie chaque chiffre indiqué sur la chaîne de conversion énergétique du document 2* et attribuer la forme d'énergie qui lui correspond parmi les choix suivants : énergie thermique ; énergie lumineuse ; énergie électrique ; énergie chimique ; énergie cinétique ; énergie nucléaire.

À Paris, un taxi à hydrogène peut parcourir une distance $d$= 495 km avec un réservoir plein à la vitesse moyenne $v$= 15 km/h.

8.Calculer la valeur de la durée $t$ pendant laquelle un taxi à hydrogène parisien peut rouler avec un réservoir plein.

Document 3 : Son émis
Les voitures à moteur électrique n'émettent presque aucun bruit. Cela peut être dangereux pour les piétons ou les cyclistes qui ne les entendent pas arriver. C'est pourquoi les constructeurs doivent intégrer un dispositif permettant à ces voitures de produire un son de niveau sonore $L$ $=$ 50 dB pour des vitesses entre 0 et 20 km/h.
Au-dessus, on considère que le bruit des pneus sur la route suffit pour signaler la présence des véhicules.

9.Indiquer, en utilisant les informations disponibles dans le document 3, deux raisons pour lesquelle le niveau sonore des voitures à hydrogène a été fixé à 50 dB.

Partie 1 - Fonctionnement de la pile à combustible (15 points)**

Question 1 : Calcul du nombre de nucléons de l'atome de platine

• Données : Le noyau contient $Z =$ 78 protons et $N =$ 117 neutrons.
• Formule : Le nombre de nucléons $A$ est la somme des protons et des neutrons ($A = Z + N$).
• Calcul : $A = 78 + 117 =$ 195.
• Réponse : L'atome de platine possède 195 nucléons.

Question 2 : Représentation symbolique de l'élément platine

• Réponse : ${}_{78}^{195}Pt$

Question 3 : Nombre d'électrons dans un atome de platine

• Justification : Un atome est électriquement neutre. Il possède donc autant d'électrons (charges négatives) que de protons (charges positives).
• Réponse : Puisque le platine a 78 protons, il possède 78 électrons.

Question 4 : Formule chimique de l'ion platine

• L'atome perd deux électrons. Il devient donc un ion positif avec une charge de $+2$.
• Réponse : $Pt^{2+}$

Question 5 : Équation de réaction chimique

• La transformation consomme du dihydrogène ($H_2$) et du dioxygène ($O_2$) pour former de l'eau ($H_2O$). Il faut conserver le nombre d'atomes.
• Réponse : La bonne équation est la C : $2 H_{2} + O_{2} \longrightarrow 2 H_{2}O$

Question 6 : Limitation de la pollution atmosphérique

• Explication : La transformation chimique dans la pile forme “uniquement de l'eau”. Contrairement aux moteurs thermiques (essence/diesel), elle ne rejette pas de dioxyde de carbone ($CO_2$, gaz à effet de serre), ni de polluants toxiques (particules fines, oxydes d'azote).

Partie 2 - Quelques caractéristiques du moteur électrique (10 points)

Question 7 : Chaîne de conversion énergétique

• Le moteur reçoit de l'électricité et la convertit en mouvement (mécanique) et en chaleur (pertes).
• Réponse :
  • 1 (Entrée) : Énergie électrique
  • 2 (Sortie utile) : Énergie cinétique (ou mécanique)
  • 3 (Pertes) : Énergie thermique

Question 8 : Calcul de la durée $t$

• On connait : Distance $d$= 495 km ; Vitesse $v$= 15 km/h.
• On cherche : Durée t avec d en km, v en km/h et t en h
• On calcule : $t = \frac{d}{v}$
• Calcul : $t = \frac{495}{15}$ = **33 ** h
• Réponse : La durée du fonctionnement est de 33 heures.

Question 9 : Niveau sonore (50 dB)

• 50 dB correspond à un “Bruit confortable” (niveau 2 sur l'échelle), donc ce n'est pas une nuisance sonore pour les habitants.
• Cependant, c'est très silencieux par rapport à un moteur thermique. Pour la sécurité, un son artificiel est ajouté afin d'avertir les piétons de l'approche du véhicule.