[PDF] Devoir Maison n°7 - Chimie en PCSI



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Devoir Maison n°7 Corrigé Option PSI - à remettre le mardi 12 juin 2018 CHIMIE D.Lecorgne*PCSI*LycéeJeanDautet*2017-2018

1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0 A B C D pH E(V) -0,2

Hg(a q)

/2 2

Hg(a q)

2 2

Hg(a q)

/Hg(l)E°(V)0,920,80RT ln10 F =0,06Và298KConstantesd'équilibreà298K:• Constanted'auto-protolysedel'eau:Ke=10-14;

• Ondo nne,K3=10-2,3,laco nstanted'équilibreasso ciéeàlaréaction(3)suivante:Hg2+(aq)+3H2O(l)=HgO(s)+2H3O+(aq)(3) LesdiagrammesE-pHdumercureetdel'eau(traitsenpointilléspourcedernier)sontreprésentésàlafigure1.Pourletracédeceluidumercure,seuleslesespècessuivantesontétéprisesencompte:HgO(s),2

Hg(a q)

,2 2

Hg(a q)

etHg(l).Pourlaconstruction,à298K,dudiagrammeE-pHdumercure,onchoisitlesconditionsauxfrontièressuivantes:• onfixeuneconcentrationtotaleenionsmercuredissous(I)et(II)égaleà1,0.10-1mol.L-1;• quanddeuxespècessolublesapparaissentdansunéquilibrechimique,lerapportdeleursconcentrationsestfixéà1;• s'ils'agitd'u néquilibreentreuneespèce solideetuneespècesol uble,laconcentrationdel'espècesolubleestchoisieégaleà1,0.10-1mol.L-1.1 Attribuerundomaineàchaqueespèceenprécisants'ils'agitd'undomainedeprédominanceoud'existence.Hg(l):0Hg22+(aq):+IHg2+(aq):+IIHgO(s):0DCABExistencePrédominancePrédominanceExistenceRemarque:Hg2++H2O=HgO+2H+Hg2+dansl'eaulibèredeuxprotons(grâceausolvant):c'estunacideetdoncHgOestsabaseconjuguée.2 Précisersilemercureest stableda nsl'eau désaérée?Dans l'eauaérée?Justifierchaqueréponse.Dansl'eaudésa érée,doncsansd ioxygène,lemercureliquidea undomaineDd'existencequiestcommunavecceluidel'eau:ilestdoncstable.Parcontredansl'eauaérée,lemercurepeutêtreoxydéparledioxygènepourdonnerHg22+,lequeln'estpasstabledansuneeauricheendioxygèneetestàsontouroxydéenmilieuacideenHg2+.DansunmilieudepHvoisinousupérieurà2,c'estlesolideHgOquiseforme.Lesbilansdesréactionssontdonc:2Hg(l)+O2(g)+4H+=2Hg2++2H2O2Hg(l)+O2(g)=2HgO(s)

3Etablir,àpartir des donnéesetdesconventions detracéchoisies,l'équationdesfrontièresA/CetA/B.CalculerlapentedelafrontièreB/C.LafrontièreA/CcorrespondaucouplerédoxHg2+/+2

2 Hg +=+OH2HgOOH3Hg 3(s)2 2 etdeconstanted'équilibre:3 1 3 2 HgO 2 3 3

10]OH[

]Hg[ ]OH[ K a K 2 Hg dedemi-équationrédox:OH2Hg2eH42HgO 2 2 2(s) ]Hg[ 1 log03,0 ]Hg[ ]H[ log 2 06,0 2 2 o

Hg/HgO2

2 42
HgO o

Hg/HgO

2 2 2 2 pE a

EE-+=+=

2 Hg 2 Hg

DEUXIEMEEXERCICECentralePSIÉTUDED'UNALLIAGEABASED'ALUMINIUMUTILISÉDANSL'INDUSTRIEAÉRONAUTIQUE1) Pourquoi utilise-t-on l'alliage sous forme de poudre ? Utilisétrèsfinementdivisé,lasurfaced'échangeaveclasoudedevienttrèsgrande,etcelaaugmenteconsidérablementlavitessedelaréaction.C'estdoncpourdesraisonscinétiquesquel'onaugmenteutilisel'alliagesousuneformetrèsdivisée.Lesdiagrammespotentiel-pHdesélémentsaluminiumetcuivreontététracéspouruneconcentrationenespècesdissouteségaleà1,0.10x2mol.L-1surchaquefrontière(figures1et2).Lesfrontièresassociéesauxcouplesdel'eauontétéajoutéesentraitsplusfins.2) Attribuer un domaine à chacune des espèces suivantes : Al(s), AlO2-(aq), Al3+(aq) et Al(OH)3(s). Le mieux est de faire un petit tableau prévisionnel : EspèceDegréd'oxydationAl(s)0Al3+(aq)+IIIAl(OH)3(s)+IIIAlO2-(aq)+III Ecrivons aussi des " demi-équations protoniques » : Al3+(aq) + 3 H2O(l) = Al(OH)3(s) + 3 H+ Al3+(aq) est donc un acide car il fait céder 3 protons au solvant. (mais attention, il les fait céder sans les prendre, ce n'est donc pas du tout une base !). Al(OH)3(s) prend 3 protons, c'est une base dans ce couple. Al(OH)3(s) = AlO2-(aq) + H2O(l)+ H+(aq) Al(OH)3(s) est capable de céder un proton, c'est un acide. Al(OH)3(s) possédant à la fois des propriétés acides et des propriétés basiques est une espèce amphotère.NousvenonsderemarquerqueAl3+estunacide,dontlabaseconjuguéeestl'hydroxyded'aluminium,lui-mêmeacideconjuguédeAl(OH)4-.Parconséquent,nouspouvonsdresserlepetittableauprévisionneletattribuerensuitechaquedomaineàuneespèce: d.oIIIAl3+(aq)Al(OH)3(s)AlO2-0Al(s)pHAinsi,lesdomainespeuventêtrefacilementattribués:

3) Retrouver le pH d'apparition du solide Al(OH)3(s) dans une solution contenant les ions Al3+(aq) à la concentration C = 1,0.10-2 molâ‹…L. Lorsque le premier cristal d'hydroxyde d'alumi nium apparaît, alors le quotient réactionnel est égal à Ks : í µí µí µ!í µí µ!í µí µÂ°í µ=í µí µ Et quand le premier cristal apparait, on peut considérer que la concentration des ions aluminium est encore égale à C : í µ.í µí µ!!í µÂ°!=í µí µ Ainsi : 1,0.10!!.í µí µ!!í µÂ°!=1,0.10!!" Ce qui conduit à : !"!!!°!=1,0.10!!" [HO-] = 1,0.10-10 mol.L-1 Soit : pH = 4,0, et c'est bien la valeur du diagramme potentiel-pH. 4) Déterminer la valeur théorique de la pente de la frontière séparant les domaines de stabilité des espèces Cu2+(aq) et Cu2O(s). Ecrivons la demi-équation électronique du couple Cu2+(aq) et Cu2O(s) : 2 Cu2+(aq) + 2 e- + H2O(l) = Cu2O(s) + 2 H+ Relation de Nernst en utilisant RT/F Ln x : Al

3+ (aq)

Al(OH)

3(s) AlO 2 (aq) Al (s)

í µ=í µÂ°+ í µí µí µí µí µí µ[í µí µí µ!]í µ!í µ soit : í µ=í µÂ°+ í µí µí µí µ102í µí µí µí µ[í µí µ!!]í µ!! í µ=í µÂ°+ í µí µí µí µ10í µí µí µí µ[í µí µ!!]°+ í µí µí µí µ10í µí µí µí µ1í µ!! í µ=í µ+ í µí µí µí µ102í µí µí µí µ1í µ!! í µ=í µ+ í µí µí µí µ10í µ.í µí µ La pente vaut donc : + !"#$!"! í µ Soit pente = + 0,06 V à 298 K 5) Au moyen des deux diagrammes potentiel-pH, justifier l'utilisation du traitement par la soude pour séparer les éléments aluminium et cuivre. Écrire l'équation de la (ou des) réaction(s) qui ont lieu au cours de cette phase. Al et H2O n'ont aucun domaine de stabilité commun, et en particulier en milieu basique. Donc en milieu basique, Al va être oxydé en AlO2-, et l'eau est réduite en dihydrogène, ce que nous dit l'énoncé. La réaction observée est : [1] : Al(s) + 2 H2O(l) = AlO2- + 4 H+ + 3 e- [2] : 2 H+ + 2 e- = H2(g) Ainsi : 2x[1] + 3x[2] donne : Al

(s) H 2 O

2 Al(s) + 4 H2O(l) = 2 AlO2- + 2 H+ + 3 H2(g) Mais le milieu est très basique, donc réécrivons cette équation avec des ions HO- plutôt qu'avec des ions H+ : 2 Al(s) + 2 HO- + 2 H2O(l) = 2 AlO2- + 3 H2(g) Qu'en est-il pour Cu ? On remarque que Cu(s) a un domaine de stabilité commun avec celui de l'eau, y compris en milieu basique. Il ne sera donc pas attaqué par l'eau en milieu basique. En conclusion : Al est oxydé en milieu très basique tandis que Cu n'est pas oxydé. Grâce à ce traitement en milieu très basique, on peut donc oxyder sélectivement Al, et donc séparer les deux éléments métalliques. 6) Pourquoi est-il judicieux de travailler en milieu très basique plutôt que neutre ? En milieu neutre, Al serait oxydé en un solide, Al(OH)3(s), ce qui rendrait difficile la séparation des deux solides Cu et Al(OH)3(s). En milieu très basique, Al est oxydé en une espèce soluble qui est donc facilement éliminé avec l'eau, par lavage par exemple. 7) Quel peut être l'intérêt de porter le mélange à ébullition quand le dégagement gazeux faiblit ? Le chauffage en fin de traitement est là pour augmenter la vitesse de la réaction, et donc pour achever rapidement l'oxydation, la température étant un facteur cinétique. B)Deuxièmephase:Dissolutionducuivre

LecuivresolideCu(s)récupéréàl'issuedelapremièrephaseesttotalementdissoutaumoyende10mLd'unesolution d'acidenitriqueconcentr ée(H+(aq)+NO3x(aq)).Undégagementgazeuxdemonoxyded'azoteNOestobservé.8) Écrire l'équation (R1) de la réaction de dissolution du cuivre Cu (s) en présence d'acide nitrique. Proposons les deux demi-équations électroniques : Cu2+ + 2 e- = Cu(s) [1] NO3-(aq) + 4 H+(aq) + 3 e- = NO(g) + 2 H2O(l) [2] Effectuons 2x[2] - 3x[1] : 3 Cu(s) + 2 NO3-(aq) + 8 H+(aq) = 3 Cu2+(aq) + 2 NO(g) + 4 H2O(l) C)Troisièmephase:Dosageducuivredansl'alliageAprèsadditiond'unequantitéexcédentaired'ioduredepotassium(K+,Ix),lasolutionprendunecolorationbruneattribuableàlaformationdediiodeI2.Cedernierestensuitedoséparunesolutionaqueusedethiosulfatedesodium(2Na+,S2O32-)àC1=5,0quotesdbs_dbs42.pdfusesText_42