Chimie, Concours interne ing�nieurs de l'industrie et des mines 2022.

Combustion du m�thane.
CH₄(g) + 2O₂(g) --> CO₂(g) +2H₂O(l) ; DHc = -890,82 kJ / mol.
Chaleur latente de changement de phase liquide-vapeur de l'eau � 298 K : DHvap = +44,87 kJ / mol.
1. Citer le premier principe de la thermodynamique. Comment interpr�ter la production d'�nergie �lectrique par une centrale thermique br�lant du gaz naturel ?

Enonc� du premier principe ( pour un syst�me ferm� ) ou pricipe de conservation de l'�nergie :

Un syst�me ferm� �volue de l'�tat 1 � l'�tat 2 sous l'action des transferts m�canique W_ext et thermique Q :

Le transfert m�canique W_ext ne tient compte que des travaux des forces ext�rieures.

La vapeur d'eau sous pression met en rotation le groupe turboalternateur. Ce dernier convertit l'�nergie m�canique en �nergie �lectrique.

2. En utilisant la loi de Hess, quelle est l'enthalpie de la r�action de combustion suivante :
CH₄(g) + 2O₂(g) --> CO₂(g) +2H₂O(g).

CH₄(g) + 2O₂(g) --> CO₂(g) +2H₂O(l) ; DHc = -890,82 kJ / mol.
2H₂O(l) --> 2H₂O(g) : DHvap = +44,87 kJ / mol.
Ajouter : -890,82 +44,87 = -845,95 kJ / mol.

3. Utilisant la r�action de combustion du m�thane produisant de l'eau sous forme de vapeur, quelle masse de m�thane faut-il consommer pour produire 1 MJ d'�nergie ?
1 MJ = 10⁶ J = 10³ kJ ; 10³ / 845,95 =1,18 mol.
M(m�thane) = 12+4=16 g / mol.
1,18 x 16 =18,9 g.
4. Sachant qu'une turbine � gaz industrielle fournit 100 MW, quelle est la masse de gaz ( l'eau �tant sous forme vapeur ) consomm�e par unit� de temps avec cette unit� de production ? Donner cette valeur en quantit� de mati�re par unit� de temps et en nombre de mol�cules par unit� de temps. Quelle est la masse de CO₂ produite pour un fonctionnement de cette unit� pendant 3 mois ?
100 MW = 100 MJ / s.
Masse de gaz : 18,9 x100 = 1890 g = 1,89 kg.
1890 / 16 = 118,2 mol / s.
118,2 x6,02 10²³ =7,12 10²⁵ mol�cules / s.
Quantit� de mati�re de CO₂ produite par seconde : 118,2 mol / s.
Masse : 118,2 x M(CO₂) = 118,2 x44 =5,2 10³ g / s = 5,2 kg /s.
3 mois = 90 x 24 x 3600 =7,8 10⁶ s.
7,8 10⁶ x 5,2 ~4,0 10⁷ kg.

Structure du nickel.
1. Donnez la d�finition d'un alliage.
C'est la combinaison d'un �l�ment m�tallique avec un ou plusieurs autres �l�ments chimiques.
2. Repr�senter la structure CFC du nickel.

3. Donner le nombre d'atomes par maille.
Chaque atome situ� � un sommet appartient � 8 mailles et compte pour 1 /8.
Soit pour 8 sommets : 1 atome de nickel.
Chaque atome situ� au centre d'une face appartient � 2 mailles et compte pour 0,5.
Il y a 6 faces soit 6 x0,5 = 3 atomes de nickel.
Total : 4 atomes par maille.
4. Indiquer la position dans la maille des sites interstitiels dans lesquels un atome pourrait se placer.

Site t�tra�drique : les sommets du t�tra�dre sont constitu�s par un sommet du cube et trois atomes au centre de trois faces ayant ce sommet en commun. Il y a huit sites t�tra�driques.
Site octa�drique : octa�dre. Il y en a 4 par maille; ils sont situ�s au centre de la maille et aussi au milieu des ar�tes.

5. L'alliage de fer et de nickel est appel� ferronickel. Le rayon m�tallique du fer est r_Fe = 124,1 pm.
Indiquer si cet alliage est de substitution ou d'insertion. Justifier.

r_site = 0,146 *353 = 51,5 pm.

Dimension de la grande diagonale du petit carr� rouge ( figure ci-dessus) :
d²= (�a)² + (�2^�a)² ; d = 3^� a/2 ;
R_Ni +R_t�tra =�d =3^� a/4 ; R_t�tra =3^� a/4 - R_Ni = 1,732*353/4 -125 =27,8 pm.

r_Fe �tant sup�rieur au rayon des sites, il s'agit d'un alliage de substitution.

Si les deux m�taux ont des structures proches et des rayons atomiques voisins, il se forme des alliages de substitution. C'est le cas du ferronickel.
Si l'un des atomes est beaucoup plus petit que l'autre, alors le plus petit peut occuper des sites du r�seau cristallin de l'autre atome : il se forme des alliages d'insertion.