Fontaines p�trifiantes, sel et corrosion. Concours CAPLP 2018.

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Fontaines p�trifiantes.
Dans une galerie souterraine profonde, la pression partielle de dioxyde de carbone PCO2 est constante, �gale � 0,35 bar et la temp�rature de l'eau est de 25�C.
31. Tracer le diagramme de pr�dominance des esp�ces CO2 aq, HCO3- et CO32-. Quelles sont les formes pr�dominantes � pH = 6 ?

A pH = 6, CO2 aq et  HCO3- pr�dominent.
32. Calculer la concentration de CO2 aq dans l'eau souterraine.
CO2 aq + 2H2O = HCO3-  + H3O+.
[HCO3-  ]=[ H3O+] =10-6 mol/ L.
Conservation de l'�l�ment carbone :
Ka1 = 10-6,4 = 3,98 10-7 =x2 / (C-x) avec x = 10-6 mol/ L avancement volumique.
C -x = x2 / Ka =10-12 / (3,98 10-7)=2,51 10-6 mol / L.
33. Ecrire la condition d'�lectroneutralit� pour une eau souterraine initialement pure ( sans ion Ca2+).
A pH = 6, [HO- ] et [CO32-] sont n�gligeables.
[ H3O+] = [HCO3-  ].
34. En consid�rant que le dioxyde de carbone est le seul responsable du pH de l'eau, en d�duire que le pH d'une eau souterraine pure est d'environ 4.
A 298 K l'�quilibre CO2(g) = CO2 aq a pour constante d'�quilibre K� = 3,4 10-2.
K� =[CO2 aq] / P CO2  ; [CO2 aq] = K�P CO2   = 0,35 x 3,4 10-2= 0,0119.
Ka1 = 10-6,4 = 3,98 10-7 =x2 / (C-x) avec C =0,0119.
x2+3,98 10-7 x -0,0119 *3,98 10-7 =0.
x2+3,98 10-7 x -4,74 10-9 =0.
Discriminant D =(3,98 10-7)2 +4 *4,74 10-9 = 1,894 10-8 =(1,376 10-4)2.
Solution retenue : (-3,98 10-7 +1,376 10-4) / 2 =6,86 10-5.
pH = -log(x) ~4,16.
35. Ecrire la r�action qui se produit lorsque cette eau rencontre des roches calcaires en ne consid�rant que CaCO3. Justifier que le pH de l'eau augmente. Produit de solubilit� du carbonate de calcium : Ks = 10-8,3.
CaCO3(s) + H3O+aq = Ca2+ aq+ HCO3-aq + H2O(l).
Des ions H3O+aq  sont consomm�s, le pH de l'eau cro�t.
36. Indiquer le sens d'�volution du pH lorsque la pression partielle de CO2 atteint 4,0 10-4 bar sachant que la pression totale est 1,0 bar. Justifier.
A 298 K l'�quilibre CO2(g) = CO2 aq a pour constante d'�quilibre K� = 3,4 10-2.
K� =[CO2 aq] / P CO2  ; [CO2 aq] = K�P CO2   = 4,0 10-4 x 3,4 10-2= 1,36 10-5.
Ka1 = 10-6,4 = 3,98 10-7 =x2 / (C-x) avec C =1,36 10-5 mol / L.
x2+3,98 10-7 x -1,36 10-5 *3,98 10-7 =0.
x2+3,98 10-7 x -5,41 10-12 =0.
Discriminant D =(3,98 10-7)2 +4 *5,41 10-12 = 2,18 10-11 =(4,67 10-6)2.
Solution retenue : (-3,98 10-7 +4,67 10-6) / 2 =2,13 10-6.
pH = -log(x) ~5,67.
Le pH de l'eau passe de 4 � 5,67.
37. En d�duire le principe de fonctionnement des sources p�trifiantes.
Les eaux souterraines sont sous pression et contiennent une quantit� de dioxyde de carbone sup�rieure � celle de l'atmosph�re.
A la sortie de la source, la pression diminue et une partie du dioxyde de carbone dissout se d�gage.
CO2 (aq ) + CO32- + H2O =2 HCO3-
L'�quilibre pr�c�dent est en cons�quence d�plac� vers la gauche et [CO32-] augmente
Or Ks = [Ca2+][CO32-] est constant � temp�rature constante, donc [Ca2+] diminue. (formation de CaCO3 (s)).

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Sel et corrosion.
Pour introduire la notion d'oxydo-r�duction, l'enseignant propose de r�pondre � la question suivante : " le salage des routes peut-il �tre nocif pour l'environnement ? ".
Le sel peut br�ler le feuillage des v�g�taux, d�ss�cher les racines, modifier les propri�t�s des sols ( comme leur perm�abilit�). Il peut aussi par r�action chimique, lib�rer des m�taux lourds.
La nature du contact en A fait que la droite d'action de la force de r�action du support sur le panneau en A, not�e RA est orthogonale au panneau.
38. Donner trois int�r�t � l'utilisation de ce document.
Prendre conscience des cons�quences de l'utilisation du salage des routes en hiver.
Comment le sel, par  r�action chimique, peut-il lib�rer des m�taux lourds ? Que deviennent ces m�taux lourds dans l'environnement ?
Motiver les �l�ves pour le cours sur l'oxydo-r�duction.
39. Proposer une exp�rience permettant  la mise en �vidence de l'influence de deux facteurs sur la corrosion.
Placer un clou en fer dans chacun des tubes � essais suivants :
a: tube contennt de l'air sec
b : de l'air et de l'eau distill�e.
c. de l'air et de l'eau sal�e.
d. de l'eau bouillie recouverte d'huile ( l'eau bouillie ne contient pas de dioxyg�ne).
40. Ecrire l'�quation bilan de la r�action qui peut se produire spontan�ment entre les couples Fe3+ / Fe2+ et O2 / H2O en milieu neutre.
Oxydation  : 2Fe2+ = 2Fe3+ +2e-.
R�duction : �O2 +2e- + H2O =2HO-.
Ajouter et simplifier : 2Fe2+ +�O2 + H2O= 2Fe3+ +2HO-.
41. Expliquer pourquoi la pr�sence de sel de d�neigement acc�l�re la corrosion.
Les ions chlorures d�stabilisent la couche d'oxyde recouvrant le fer, ce qui favorise la corrosion, le fer se  trouvant mis � nu.
 42. les t�les utilis�es pour les carrosseries sont recouvertes d'une couche de zinc. Pourquoi ?
Le zinc est plus r�ducteur que le fer ; le zinc s'oxyde � la place du fer. Tant qu'il y a du zinc, le fer est prot�g�.
L'enseignant propose une �valuation contenant l'exercice suivant :
La face arri�re d'un cong�lateur est constitu�e d'une plaque de fer. Pour prot�ger le fer de la corrosion, un des proc�d�s utilis�s est la galavnisation. Le dispositif est sch�matis�.

1. A quel p�le du g�n�rateur doit �tre reli� la plaque de fer si on veut la prot�ger ?
2. Quel m�tal se d�pose sur le fer ?
3. Ecrire la demi-�quation �lectronique au niveau de la plaque de zinc. S'agit-il d'une oxydation, d'une r�duction ?
4. Citer un autre moyen de prot�ger le fer contre la corrosion.
 43. R�pondre aux questions pos�es ci-dessus.
Le zinc doit se d�poser sur le fer. L'ion Zn2+ doit �tre r�duit au voisinage de l'�lectrode en fer. Celle-ci joue le r�le de cathode n�gative.
Le zinc se d�pose sur le fer.
Zn2+ + 2e- = Zn ; r�duction.
Recouvrir le fer d'une couche de peinture. R�aliser une protection anodique.
44. Calculer la masse de zinc d�pos�e en une heure sur le fer si l'intensit� du courant est 2,4 A.
Quantit� d'�lectricit� Q = I t = 2,4 x3600 =8640 C.
Quantit� de mati�re d'�lectron : n = 8640 / 96500 =0,0895 mol.
Quantit� de mati�re de zinc : 0,0895 / 2 =0,04477 mol.
M(Zn) = 65,4 g / mol ; masse de zinc : 65,4 x0,04477 ~2,9 g.
45. Cet exercice peut-il faire l'objet d'une �valuation certificative en bac pro ? Justifier.
Oui. La probl�matique est pos�e ( protection du fer contre la corrosion ) ; comprendre et analyser une situation et tirer une conclusion.
46. Compl�ter le diagramme potentiel-pH suivant.

47. En prenant en compte la pr�cipitation de l'hydroxyde de fer (III) � partir d'une solution de sel ferrique de concentration C = 10-2 mol/L, donner l'expression litt�rale et calculer le pH d'apparition de la phase solide Fe(OH)3. Ks = 10-38.
10-38= [Fe3+][HO- ]3 ; [HO- ]3 = 10-38 / 0,010 = 10-36 ; [HO- ] = 1,0 10-12 mol / L.
[H3O+] = 10-14 / [HO- ] = 1,0 10-2 mol / L ; pH = 2.
48. Sur le diagramme potentiel-pH pr�c�dent, indiquer les zones d'immunit�, de corrosion et de passivation du fer.
Deux esp�ces ne peuvent �tre compatibles entre elles que si leurs domaines de pr�dominance sont contigus. Si leurs domaines d'existence sont disjoints et si elles sont mis en pr�sence, elles r�agissent entre elles.
Zone de corrosion : l'�l�ment fer existe sous forme Fe2+ et Fe3+.
Zone d'immunit� : le m�tal est thermodynamiquement stable.
Zone de passivation : le fer existe sous forme d'hydroxyde Fe(OH)2 et Fe(OH)3. Encore faut-il v�rifier que cette couche d' hydroxyde  soit protectrice.
Le fer  et l'eau apprtiennent � des domaines disjoints : en pr�sence d'eau le fer s'oxyde et l'eau est r�duite en dihydrog�ne.
Fe(OH)2, Fe(OH)3 et H2O poss�dent un domaine commun : le fer est passsiv� dans cette partie commune. Mais ces hydroxydes peuvent �tre oxyd�s par le dioxyg�ne dissous.



  

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