L'homme
pour d�fendre la nature, Capes physique chimie 2019.
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A.
Des ions sulfate sont rejet�s dans l'environnement aquatique. A partir
du seuil de 500 mg d'ion sulfate par litre, l'eau n�cessite un
traitement.
Titrage conductim�trique des ions sulfates dans un effluent de tannerie.
Pr�lever � l'aide d'une pipette jug�e V0 = 20,0 mL d'effluent et placer dans un becher.
Ajouter 100 mL d'eau distill�e.
Introduire la sonde condictim�trique.
Sous agitation, doser par une solution aqueuse de chlorure de baryum � C = (1,00 �0,02) 10-2 mol /L.( incertitude �largie � 68 %).
Mesurer l'�volution de la conductivit�.
Q17. Apporter un regard critique au document suivant.
Pipettes jaug�es
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Fioles jaug�es
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Butette gradu�e
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10 �0,02 mL
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20 �0,03 mL
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25 �0,05 mL
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100 � 0,1 mL
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200 � 0,2 mL
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25 � 0,05 mL
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D�sacord entre les chiffres significatifs ; il faudrait �crire par exemple :10,00 �0,02 mL ; 100,0 �0,1 mL.
Q18. L'eau de la tannerie n�cessite-t-elle un traitement ?
SO42- aq +Ba2+aq ---> BaSO4 (s).
A l'�quivalence : C VE = C V0 ; C = 1,0 10-2 x12 / 20 =6,0 10-3 mol /L d'ion sulfate.
M(sulfate) = 32 +4 x16=96 g/mol.
tsulfate =96 x6,0 10-3 =0,576 g /L ou 576 mg / L d'ion sulfate.
Incertitude :U(tsulfate) / tsulfate=[(U(VE) / VE)2 +(U(V0) / V0)2 +(U(C) / C)2 ]� =[(0,5/12)2 +(0,03/20)2 +(0,02/1,00)2 ]�=4,6 10-2.
U(tsulfate) =576 x4,6 10-2 ~ 27 mg.
tsulfate= 576 �27 mg / L, valeur sup�rieure � 500 mg / L.
L'eau n�cessite un traitement.
Q19. Proposer une structure de Lewis probable pour l'ion sulfate.
Q20.
Un professeur en classe STL- SPCLpropose une activit� sur le dosage des
ions sulfate dans l'eau. Trois comp�tence seront �valu�es. Donner les
�l�ments constituant l'activit� exp�rimentale.
Probl�matique :
Une nouvelle cha�ne de production rejette des effluents contenant des ions sulfate.
Comp�tences �valu�es :
R�aliser un dosage conductim�trique ; analyser la courbe obtenue.Communiquer sous forme d'un compte rendu �crit.
Documents disponibles :
r�glementation concernant les effluents contenant des ions sulfate ;
sch�ma et principe du titrage de ces ions ; mat�riel et solutions
disponibles.
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B. La chlorose ferrique est une maladie des plantes ( jaunissement des feuilles) due � une carence en fer.
Q21.
Ecrire la structure �lectronique fondamentale de l'ion fer (III). Fe ( Z = 26).
L'ion fer (III) poss�de 26-3 = 23 �lectrons.
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s0 3d5.
Q22. Un protocole exp�rimental de dosage des ions Fe3+
pr�sents dans le sol par spectrophotom�trie UV visible a �t� propos� �
des �l�ves de premi�re STL SPCL. Corriger le compte rendu de l'�l�ve en
rep�rant les erreurs en annotant la copie et en formulant des conseils
appropri�s.
Q23. En utilisant
un diagramme de pr�dominance gradu� en pSCN, montrer que les conditions
exp�rimentales permettent d'affirmer que le complexe
[Fe(SCN)]2+ est majoritaire.
L'acide chlorhydrique maintient un pH suffisamment faible pour emp�cher Fe(OH)3 de pr�cipiter.
Formation de ce complexe : Fe3+aq +SCN-aq ---> [Fe(SCN)]2+ aq.
Constante d'�quilibre K = [ [Fe(SCN)]2+ aq] / ([ Fe3+aq] [ SCN-aq ]) = 103,1.
log( [Fe(SCN)]2+ aq] / ([ Fe3+aq]) - log([ SCN-aq ]) =3,1.
log( [Fe(SCN)]2+ aq] / ([ Fe3+aq]) +pSCN = 3,1.
Si pSCN > 3,1 ; log( [Fe(SCN)]2+ aq] / ([ Fe3+aq]) est n�gatif : [ Fe3+aq] pr�domine.
Si pSCN < 3,1 ; log( [Fe(SCN)]2+ aq] / ([ Fe3+aq]) est positif : [Fe(SCN)]2+ aq] pr�domine.
Concentration en ion SCN- : 2 mol / L.
1 mL de solution de thioscyanate de potassium des 50,0 mL soit 2 / 50 = 0,04 mol/L en ion thioscyanate.
pSCN = -log (0,04) =1,4.
Cette vbaleur �tant inf�rieure � 3,1, [Fe(SCN)]2+ aq] pr�domine.
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C. Le projet Biorock vise � prot�ger et restaurer les r�cifs coralliens.
Dans
cet exercice, on se propose d’�tudier la reconstitution des r�cifs
coralliens dans l’�le de Bali, gr�ce � la technique de l’�lectrolyse. �
Bali, la croissance moyenne du squelette des coraux naturels est de
l’ordre de 2 mm par an. Une �quipe de chercheurs souhaite fabriquer un
r�cif corallien artificiel � Permutaran gr�ce � la technique � Biorock
�.
Ils ont besoin pour cela de d�poser du carbonate de calcium sur des structures m�talliques..
Le dispositif install� au nord de Bali est r�alis� avec des moyens tr�s simples :
- le fer achet� sur les march�s locaux est soud� sur place ;
- des plongeurs attachent des coraux � cette grille avec du fil de fer fin ;
- l’installation est �lectrifi�e sous une tension de 3,0 V et un courant de 10 A.
La cathode est le si�ge d’une r�duction mod�lis�e par la demi-�quation suivante :
2 H2O(ℓ) + 2e – = H2(g) + 2 HO –(aq) (1)
Le dioxyde de carbone CO2 pr�sent dans l’atmosph�re et dissous dans l’eau ainsi que les ions Ca2+ pr�sents naturellement dans l’eau de mer r�agissent avec les ions HO- produits � la cathode pour former le carbonate de calcium selon la r�action suivante :
Ca2+(aq) + CO2(g) + 2 HO- (aq) --> CaCO3(s) + H2O(ℓ) (2)
On ne tiendra pas compte des r�actions de pr�cipitation des autres ions pr�sents dans l’eau de mer.
Q25.
Estimer le temps n�cessaire � partir duquel la pr�cipitation du
carbonate de calcium s'amorce au voisinage d'une portion de cathode
immerg�e ( tige de longueur L = 1,0 m et de diam�tre d = 5,0 cm).
L'esp�ce HCO3- pr�domine dans l'eau de cette mer ( pH = 7,6).
Concentration de HCO3- dans cette mer : 2,2 10-3 mol/L.
Concentration des ion H3O+ : 10-7,6 =2,5 10-8 mol/ L <<2,2 10-3 mol/L.
Les ions hydroxyde produits au voisinage de la cathode r�agissent essentiellement avec les ions HCO3- selon :
HCO3- aq +HO-aq ---> CO32-aq +H2O(l).
La pr�cipitation du squelette calcaire s'amorce d�s que le pourcentage
d'ion carbonate au voisinage de la cathode a d�pass� les 5 % de la
quantit� totales en solut�s carbonat�s.
[CO32-aq]fin = 0,05 [HCO3- aq]initial =0,05 x 2,2 10-3 =1,1 10-4 mol / L.
La concentration en ion hydroxyde doit donc atteindre 1,1 10-4 mol / L.
On observe une augmentation du pH au voisinage de la cathode sur une �paisseur voisine de r= 1,0 mm.
Volume d'eau influenc� par la croissance du pH :
V = L p [(R+r)2-R2] ~2L p r R =L p r d= 1,0 x3,14 x0,05 x 10-3 ~1,57 10-4 m3 ou 0,157 L.
Il faut produire : 0,157 x1,1 10-4 =1,73 10-5 mol d'ion hydroxyde.
Quantit� de mati�re d'�lectrons : 1,73 10-5 mol.
Quantit� d'�lectricit� correspondante : Q = 1,73 10-5 x96500 =1,67 C.
Dur�e n�cessaire : Q / I = 1,67 / 10 ~0,17 s.
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