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2L'énergied'ionisationdulithium(5,39eV)estplusélevéequecellesdesautresmétauxdesacolonneetsonpotentield'électrodeestrelativementbas(-3,02V)[...].Lespropriétésphysiquesdumétalsontlessuivantes:-masseatomique,6,951g.mol-1;-massevolumique,0,53g.cm-3;-températuredefusion,180°C;-températured'ébullition,1336°C.Ilexistedeuxisotopesstablesdulithium,í µí µ!!etí µí µ!!.[...].Lelithiummétalliqueréagitpeuavecl'eau».1- Rappelerlesrèglesgénéralespermettantd'établirlaconfigurationélectroniqued'unatomedansl'étatfondamentaletlesappliquerà l'atomedelithium.Aquellefamillechimiqueappartient-il?Ilfautciter:LarègledeKlechkowskiLarègledeHundLeprinciped'exclusiondePauliVOIRDERNIEREPAGEDanscecas,onétablitsansdifficultélaconfigurationélectroniquefondamentaledeLi:1s22s1Lelithium,deconfigurationélectroniqueexternens1,estdanslapremièrecolonne,celledesalcalins.2- "sonpotentield'électrodeestrelativementbas».Quelleapplicationdulithiumtireprofitdecettepropriété?"Sonpotentield'électrodeestbas»donccelaveutdirequ'ilesttrèsréducteur.Celaestmisà profitdanslespilesetbatteries(cevotretéléphoneportableouordinateurportable).Laddpauxbornesdelapileestdoncsupérieureà 3Vaveclelithiumà l'anode(fonctionnementpileeffectivementici).3- Déterminerl'abondancerelativedesdeuxisotopesdulithium(onnégligeralaprésenced'autresisotopes).
3Notonsxl'abondancedel'isotope7Lietycelledel'isotope6Li.Alorsx+y=1etmassemolaire(Li)=x.massemolaire(7Li)+y.massemolaire(6Li)Soit:x+y=1et6,951=7x+6ycequidonne:x=0,951ety=0,049Ilyadonc95,1%delithium-7et4,9%delithium-6.Rem:extraitsdedocumentsdel'IUPAC:onylitpourlelithium:6,938-6,997g.mol-1Lelithiumréagitavecl'eauenmilieuacidepourdonnerdesionslithium.4- Ecrirel'équation(1)delaréactiondulithiumavecl'eauenmilieuacideenprenantuncoefficientstoechiométriquede1pourlelithium.Deuxdemiéquationélectroniques:Li++e-=Li(s)H+++e-=½H2(g)BILAN:Li(s)+H+=½H2(g)+Li+5- Calculerlaconstanted'équilibredelaréaction(1).Laréactionest-elleattenduetotale?
4Enutilisantl'unicitédupotentielà l'électrode:E1=E1°+0,06.Log([Li+]/c°)=E2°+0,06.Log([H+].P°1/2/c°.PH21/2)Ilvient:LogK°=(E°2-E°1°)/0,06=(0-(-3,02))/0,06K°=1050>>104:laréactionesttotale6- Proposeruneinterprétationdel'assertion"Lelithiumréagitpeuavecl'eau»."lelithiumréagitpeuavecl'eau»:à cestadedel'année,nouspouvonsdirequ'ils'agitd'unblocagecinétique:laréactionestthermodynamiquementfavoriséemaiselleesttrèslente.B)Elaborationdulithiumà partirduminerai:passagepardescomposésintermédiaires.Document2:Extraitdes"Techniquesdel'ingénieur»"Lelithiumestprésentdanslalithosphèreà uneconcentrationdel'ordrede60ppm.Ilexisteplusd'unecentained'espècesminéralescontenantLi,dontenviron25titrentplusde2%enLi2O.Lestroisprincipauxminérauxdulithiumsontdesaluminosilicates(exemple:lespodumènedeformule{4SiO2.Al2O3.Li2O}).[...].Lespodumèneestbroyédansunbroyeurà bouletsdanslequelestajoutédel'acidesulfuriqueH2SO4à 93%enexcèsparrapportà lastoechiométriedelaréactionci-dessous.[...].Cettelixiviationavecdel'eaumetensolutionlelithium.{4SiO2.Al2O3.Li2O}+8H+=2Li++2Al3++4SiO2+4H2O(2)LesimpuretésMg,Ca,AletFesontprécipitéesparneutralisationà lachaux,puislelithiumestprécipitéparducarbonatedesodiumNa2CO3à l'étatdecarbonatedelithium.[...].Lecarbonatedelithiumpurifiéesttransforméenchlorureparréactionavecl'acidechlorhydrique.7- Enconsidérantlaréaction(2)commetotale,quelestlevolumeminimald'acidesulfuriqueà 93%nécessairepourdissoudre1moledespodumène?Poursimplifieronconsidéreraqueles2aciditéssontfortes.
5D'aprèsl'équation:{4SiO2.Al2O3.Li2O}+8H+=2Li++2Al3++4SiO2+4H2Oilfaut8moldeH+pour1moldespodumènecommeH2SO4estconsidérécommeundiacide,4moldeH2SO4suffiront.Orladensitédelasolutiond'acideestd=2:1Lpèsedonc2kg.Maisellecontientl'acideavecuneteneurmassiqueégaleà 93%Donc93%delamassedelasolutionutiliséeestdel'acidesulfurique.Ilnousfaut4mold'acidesoitunemassem=4x98=392gEt392=0,93xm(solution)Donconutiliseram(solution)=392/0,93=421g1Lpèse2kgilnousfautdoncunvolumeV(solution)=1x421/2000=0,21LNousutiliserons0,21Ld'acide. SECONDE PARTIE AUTOUR DU BETON MINES-PONTSPSI2016 Ceproblèm es'intéresseà l'ét udedequelquespropriétésphysico-chimiquesducimentetdes bétonsarmés.Leclinkerestleprincipalconstituantd'unciment,ilestobtenuà partird'unmélangede80%dec alcaire (CaCO3(s))etde 20% d'argile(silicoaluminates).Lecimentestprincipalementutilisépourfabriquerlebétonquiestunmélangedeciment,sable,granulatseteau.Lebétonformeaprèsla"prise»unevéritablerocheartificielle.La"prise»estlephénomènededurcissementenprésenced'eau. A)Prised'unbéton8) Lamassemolaireducimentestde228g.mol-1etcelledel'eau18g.mol-1.Iladoncétéintroduit1moledecimentet5molesd'eau.Avancementmaximalsilebétonestleréactiflimitant:1-2x1max=0: ξ1max=0,5mol.Avancementmaximalsil'eauestleréactiflimitant:5-6x2max=0:ξ2max=5/6=0,83mol.Conclusion:lecimentestleréactiflimitantetc'estluiquidisparaîttotalement.
6Ilreste5-6x0,5=2molesd'eau.Onadoncformé0,5molde[Ca3Si2O7,3H2O](s)et1,5moledeCa(OH)2(s).9) Enrésumé:unesolutioncontenantCa2+etOH-esttitréeparunesolutioncontenantH3O+etCl-.IlfautreconnaîtreletitragedelabaseforteHO-parl'acidefortH3O+selon:H3O++HO-=2H2O(l)K°=/KE=1.101410) Al'équivalence:n{H3O+versé}=n{HO-titré}1,0x0,50=100xcc=5.10-3mol.L-1Etalors:pH=-Log([H3O+])=-Log(10-14/[HO-])pH=14+Log([HO-])=14+Log(5.10-3)pH=11,711) Sionfaitlepointsurlesespècesintroduitesetprésentes:Avantl'équivalence:lesionsH3O+sontconsommésquandonlesajouteparlesionsHO-:la quantitéd'ionsHO -diminue.Cesionssontex actementremp lacésparlesi onschlorureCl-.Commeceux-cisontmoinsmobiles(Λ°Cl-<<Λ°HO-),laconductivitédelasolutiondiminue.Aprèsl'équivalence,iln'yaplusd'ionsHO-etoncontinueà apporterdesionsCl-etsurtoutlesionsH3O+dorénavantplusconsommésetcommeilssonttrèsmobiles,cetexcèsd'ionsfaitcroîtredenouveaulaconductivité.D'oùl'alluredelacourbe.12) Al'équivalence,onobtientdel'eaupure,donclepHseraégalà 7.L'alluredelacourbeseralasuivante(palierhorizontalpratiquementà t=0caractéristiquedudosaged'unebaseforteparunacidefort).Enajoutantbeaucoupbeaucoupd'acide,ontendraitverslepHdelasolutiond'acide,soitpH=0,3.EssayonsunpetitprogrammePython"pourleschimistes»:
7813) IlfautappliquerlarègledeKlechkowskietleprinciped'exclusiondePauli.Etsidesélectronsdoiventoccuperdesorbitalesatomiquesdemêmeénergie,ilfautaussiutiliserlarègledeHund.Ainsi,laconfigurationélectroniquefondamentaledel'atomedecalciumest:1s22s22p63s23p64s2.Laformationprivilégiéedel'ionCa2+estdueaudépartdesdeuxélectronsdevalenceducalcium.Laconfigurationélectroniquedel'ionCa2+estlamêmequecelledel'atomed'argon(Z=18):ilssontisoélectroniquesettoutescessous-couchescomplètesleurconfèrentunestabilitéparticulière.14) pH=pKA+Log([base]/[acide]):sipH>pKA:[base]>[acide],c'estledomainedeprédominancedelabase.Ainsi,onobtienticilediagrammesuivant:CommelepHdelasolutionà lasurfacedubétonvaut11,7,ledioxydedecarboneseretrouvebiensouslaformeCO32-. Données:Numérosatomiques:6(C);8(O);20(Ca).ConductivitésioniquesmolairesΛ0(enmS.m2.mol-1)IonH+(aq)Cl-(aq)HO-(aq)Λ035,07,619,8
9Constantesd'acidité:pKa1(CO2,H2O/HCO3-)=6,4;pKa2(HCO3-/CO32-)=10,4 Fin du devoir libre
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