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Le 10/11/2016 Page : 1/4 Devoir n°2 (2h) Spécialité
I. Eau potable ou non ? Présentation du problème
Le paranitrophénol (PNP) est un polluant organique qui se forme lors de la biodégradation de certains pesticides.
Une exposition excessive à ce composé peut provoquer une méthémoglobinémie : c’est-à-dire une diminution de la capacité du sang à transporter le dioxygène dans les cellules. C’est la raison pour laquelle il faut surveiller sa présence dans les eaux de boisson.
La valeur maximale de la concentration en PNP d’une eau potable autorisée par la commission européenne
est 0,1 µg.L-1. En revanche, le seuil fixé par l’agence américaine de protection environnemental EPA (United States Environmental Protection Agency) est 60 µg.L-1, tandis que la valeur tolérée par le conseil environnemental
brésilien est 100 µg.L-1.
A l’occasion d’un stage dans un laboratoire d’analyse chimique aux USA, un groupe d’étudiants français met au point un protocole de dosage spectrophotométrique du PNP et le met en œuvre (document 1) pour étudier la potabilité d’une eau E destinée à la consommation sur le continent américain.
L’objectif de cet exercice est de répondre de manière argumentée à la question que se posent les étudiants ingénieurs : l’eau analysée est-elle potable ?
Données : caractéristiques physiques et chimiques du paranitrophénol
Formule brute : C6H5NO3
Formule topologique ci-contre :
Aspect physique à 20°C : solide cristallin jaune pâle
Température d’ébullition : 279°C
Température de fusion : 116 °C
Le groupe hydroxyle – OH du paranitrophénol présente un caractère acide : Si le pH est inférieur à 7,2, la forme acide C6H5NO3 est prédominante ; Si le pH est supérieur à 7,2, la forme basique C6H4NO3
– est prédominante.
Une solution tampon est une solution de pH constant même par dilution.
Document 1 : Extrait du carnet de laboratoire rédigé par les étudiants
On procède tout d’abord à une évaporation de l’eau E de manière à accroître fortement la concentration en PNP. La solution S ainsi obtenue est cent fois plus concentrée que la solution E.
A partir d’une solution aqueuse S0 de paranitrophénol de concentration C0 = 100 mg.L-1, on prépare cinq solutions filles Si de volume V = 100,0 mL de concentration Ci. Le solvant utilisé est une solution tampon de pH = 10,4.
On règle le spectrophotomètre sur la longueur d’onde λ = 400 nm. On « effectue le blanc » de telle manière que l’absorbance soit nulle avec la solution tampon de pH = 10,4.
On mesure l’absorbance des différentes solutions Si préparées.
Les résultats des mesures sont regroupés dans le tableau suivant :
Solution S1 S2 S3 S4 S5
Ci (mg.L-1) 1,0 2,0 3,0 5,0 7,5
A 0,128 0,255 0,386 0,637 0,955
On mélange 50,0 mL de la solution S avec 50,0 mL de solution tampon de pH = 10,4 puis on mesure l’absorbance de la solution S’ ainsi obtenue.
On obtient une absorbance A’ = 0,570 ± 0,010.
OH
NO2
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Document 2. Spectres d’absorption de solutions aqueuses de PNP en milieu acide et en milieu basique
Spectre 1 : solution aqueuse de paranitrophénol de concentration molaire 2,0 × 10–5 mol.L-1 en milieu acide (pH = 5).
Spectre 2 : solution aqueuse de paranitrophénol de concentration molaire 2,0 × 10–5 mol.L-1 en milieu basique (pH = 10).
1. Questions préalables
1.1. Dans les conditions expérimentales mises en œuvre par les étudiants, sous quelle forme se trouve le PNP dans les solutions ?
1.2. Pourquoi est-il justifié de choisir une radiation visible plutôt qu’une radiation ultraviolette pour les mesures d’absorbance ?
2. Pour résoudre le problème
2.1. Vous devez décrire le protocole d’une dilution pour une solution de votre choix.
2.2. Vous devez tracer une courbe caractéristique sur le papier millimétré joint page 4 afin de déterminer la concentration C’ de la solution S’ obtenue et en précisant l’incertitude sur cette valeur.
2.3. Vous devez répondre de manière argumentée à la question : l’eau analysée est-elle potable ?
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II. C’est nickel !!!
Le nickel est un métal gris argenté qui possède une très bonne résistance à la corrosion. La majorité des utilisations du nickel découle de cette propriété. On peut ainsi fabriquer des alliages métalliques ayant une faible sensibilité à la corrosion ou recouvrir d’une couche protectrice d’autres métaux ou alliages sensibles à l’oxydation comme le fer ou le laiton.
Cet exercice traite de l’électrolyse d’une solution pour recouvrir une pièce métallique d’une couche de nickel.
Données
Masse molaire du nickel : M(Ni) = 58,7 g.mol-1 ;
F : charge (en valeur absolue) d’une mole d’électrons : F = 9,65 104 C.mol-1
La charge électrique Q qui traverse le circuit lors du nickelage vaut : Q = I t = n(e-) F avec I : intensité du courant en A ; t : durée du nickelage en s
n(e-) : quantité d’électrons échangés lors de la réaction en mole
Pour réaliser le nickelage électrolytique d’un objet métallique, la solution à utiliser est choisie en fonction du résultat souhaité (aspect plus ou moins brillant, ...) mais la solution de volume V = 200 mL contient toujours des ions nickel Ni2+ de concentration C0 = 1,0 mol.L-1.
1. Généralités
En pratique, la pièce à nickeler, immergée dans le bain d’électrolyse, est reliée au pôle négatif d’un générateur, alors que le pôle positif est relié à une électrode constituée de nickel pur comme le montre le schéma de la figure page 4.
1.1. Indiquer sur le schéma page 4 le sens conventionnel du courant, le sens des électrons et le sens de déplacement des ions nickel Ni2+.
Justifier sur votre copie chacun des sens.
1.2. Pourquoi la pièce à recouvrir est-elle reliée au pôle négatif du générateur ? Justifier en écrivant l’équation de la demi-réaction qui a lieu sur cette pièce.
1.3. Constitue-t-elle l’anode ou la cathode ? Justifier.
1.4. Comment évolue la concentration en ions nickel dans le bain d’électrolyse. Justifier votre raisonnement.
2. Durée de l’électrolyse
La masse de nickel à déposer sur la pièce est m = 2,5 g. L’intensité du courant utilisé est I = 6,0 A.
2.1. Calculer la durée t nécessaire à l’électrolyse (en supposant que son rendement est de 100%).
Une formule littérale avant un calcul numérique sera valorisée.
La qualité de la rédaction, l’analyse critique du résultat, la rigueur des calculs, ainsi que toute initiative prise pour mener à bien la résolution du problème seront valorisées.
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I. Eau potable ou non ?
II. Nickelage de protection O
O
