DM n°10
Chimie (II)
MP Lycée Pissarro
A rendre pour le 28/01/2013
Problème I : le chlore et ses dérivés La désinfection des eaux de piscine fait encore largement appel au chlore et à ses dérivés. L’objet du problème suivant est d’aborder quelques aspects de ce traitement. A - L’élément chlore A.1. Donner la structure électronique du chlore. A.2. A quelle famille d’éléments chimiques appartient le chlore ? A.3. Donner le nom des autres éléments chimiques de cette famille. A.4. Donner la structure de Lewis de C l 2 , C l − , H C l O , C l O - . A.5. Indiquer la géométrie de la molécule H C l O à partir de la méthode V S E P R B – Oxydoréduction B.1. Dans les conditions standard, à 298 K, le potentiel chimique du dichlore en solution aqueuse vaut : µ° ( 298K )Cl2 (aq ) = + 5 ,70 kJ.mol-1 ; ( µ° ( 298K )Cl2 (g ) = 0 kJ. mol-1) . Déterminer la concentration en Cl2(aq) d’une eau en présence de dichlore gazeux sous une pression de 1 bar, à 298K. B.2) Lecture du diagramme E = f (pH) ci-après. a) Déterminer le nombre d’oxydation de l’élément chlore pour les espèces intervenant dans le diagramme : Cl2 (aq ) , Cl- , HClO , ClO-. Quelles sont les espèces qui peuvent se comporter comme des oxydants, des réducteurs ? b) Identifier les espèces A, B, C, D. c) Déterminer, à partir du diagramme et en justifiant la méthode utilisée : • le potentiel standard du couple HClO /Cl- . • le pKa du couple HClO /ClO− • Comparer les valeurs déterminées à celles indiquées dans l’énoncé. d) Calculer les pentes des différentes frontières du diagramme. B.3. Écrire la réaction de dismutation du dichlore en solution aqueuse, calculer sa constante d’équilibre. Le diagramme ci-dessus est tracé pour une concentration totale en élément chlore dans la solution aqueuse de c = 0,100 mol.L –1. La frontière entre espèces correspond à l’égalité des concentrations molaires en élément chlore de part et d’autre de cette frontière. C - L’eau de Javel L’eau de Javel est une solution aqueuse équimolaire d’ions Na+ et ClO-. Le degré chlorométrique désigne le nombre de litres de dichlore qui peuvent être libérés par l’addition d’acide chlorhydrique en quantité non limitante à un litre d’eau de Javel dans les conditions normales de température et de pression ( T = 273 K , p =1 atm = 1,013 bar) . C.1. À combien de moles de dichlore correspond un litre d’eau de Javel commerciale à 48 « degrés chlorométriques » ? Dans une piscine de 60 m3, on introduit de l’eau de Javel commerciale à 48 degrés chlorométriques. C.2. Quelle est la concentration des ions ClO –, en mol.L-1 d’une solution à 1 mg.L – 1 en élément chlore ? En déduire le volume d’eau de Javel commerciale à verser dans la piscine pour obtenir la même concentration. C.3. Quel est alors le pH de l’eau de la piscine ? C.4. Quel volume d’acide chlorhydrique à 9 mol.L-1 doit -on verser pour amener le pH de cette eau à 7, 5 . C.5. Quelle est la propriété de cette eau ? C.6. Quel risque y a-t-il à verser de l’acide chlorhydrique dans de l’eau de Javel concentrée ?
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Chimie (II)
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Chimie (II) MP Lycée Pissarro Problème II : mélanges binaire eau - benzène
On se propose d’établir le diagramme binaire liquide - vapeur d’un mélange eau (composé 1)-benzène (composé 2). Pour ce faire, on a établi les courbes d’analyse thermique : ces courbes sont obtenues en refroidissant sous 1 bar différents mélanges gazeux eau - benzène. Selon la composition du mélange, on observe sur ces courbes une ou plusieurs ruptures de pente, pouvant correspondre éventuellement à des paliers. Dans le tableau ci-dessous, on indique la fraction molaire d’eau dans le mélange initial gazeux ainsi que les températures de rupture de pente traduisant l’apparition d’une phase liquide. On a souligné les températures correspondant à l’existence d’un palier. On notera x1 la fraction molaire d’eau dans le liquide et y1 la fraction molaire d’eau dans la vapeur. Point A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 Fraction molaire d’eau dans le 0 0,10 0,20 0,26 0,30 0,50 0,70 0,90 1 mélange initial Première température de rupture 353,0 348,7 344,0 340,8 343,8 355,6 363,9 370,2 373,0 de pente (K) Deuxième température de rupture 340,8 340,8 340,8 340,8 340,8 340,8 de pente (K) ° Enthalpie standard de vaporisation de H2O supposée indépendante de la température : ∆ r H vap ,eau = 44 kJ.mol-1
1. Tracer l’allure du diagramme binaire du mélange eau - benzène T = f(x1) et T=f(y1) en faisant apparaître la courbe de rosée et la courbe d’ébullition dans deux couleurs différentes. 2. Indiquer, sur ce schéma, la nature des phases présentes dans les différents domaines. 3. D’après le diagramme, les deux liquides présentent-ils une miscibilité nulle ou totale ? Justifier ce résultat en comparant les propriétés de ces deux solvants. 4. Comment appelle-t-on le point A4 ? Indiquer la composition du système en ce point. Calculer la variance. 5. On refroidit sous 1 bar un mélange gazeux de fraction molaire en eau y1 = 0,10. Indiquer à quelle température apparaît la première goutte de liquide et à quelle température disparaît la dernière bulle de vapeur.
6. On chauffe un mélange liquide équimolaire eau – benzène sous 1 bar. 6.1. A quelle température l’ébullition commence-t-elle ? Quelle est alors la composition de la phase vapeur ?
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MP Lycée Pissarro 6.2. La vapeur est éliminée au fur et à mesure de sa formation. Indiquer quel liquide disparaît en premier. Quelle est la valeur de la température lorsque la dernière goutte de ce liquide disparaît ? Quelle est alors la composition de la phase vapeur ?
6.3. Rappeler le principe d’un entraînement à la vapeur d’eau. Quel en est l’intérêt ? 6.4. Représenter le dispositif expérimental permettant de réaliser cette opération.
7. On introduit à 25 °C, dans un récipient fermé et maintenu à la pression P° = 1 bar, un mélange constitué de 1,4 moles d’eau et 0,6 mole de benzène. Indiquer la composition exacte du système à l’équilibre (nature des phases et quantité de matière de chaque constituant dans chaque phase) pour les températures suivantes : T = 330,0 K T = 355,6 K T = 370,2 K 8. On cherche à établir l’équation de la branche de la courbe de rosée de l’équilibre H2O(l) = H2O(g). 8.1. Rappeler l’expression du potentiel chimique d’un gaz parfait en fonction de sa fraction molaire, puis celle du corps pur liquide (en négligeant pour ce dernier l’influence de la pression). 8.2. Ecrire la condition sur les potentiels chimiques réalisée à l’équilibre. ∂ µi 8.3. Rappeler l’expression de ∂ T T (relation de Gibbs-Helmholtz). P, n j 8.4. En utilisant l’équation précédente, établir une équation différentielle faisant apparaître l’enthalpie standard de vaporisation de l’eau. 8.5. En intégrant cette équation, établir l’équation de la courbe de rosée. 8.6. Vérifier la formule trouvée pour une fraction molaire à l’équilibre de la phase gaz y1 = 0,50.
