ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL DÉPARTEMENT DE GÉNIE CHIMIQUE
ING 1030 CHIMIE POUR INGÉNIEUR EXAMEN FINAL AUTOMNE 2002 Date : Jeudi le 19 décembre 2002
Heure : 9h30 à 12h00
Calculatrice non programmable permise Aucune documentation permise
PROBLÈME 1
Une pile voltaïque opérant à 25oC est constituée de deux demi-cellules. Une électrode d’argent (Ag) est plongée dans 500 ml d’une solution saturée d’AgCl (silver chloride), formant l’une des demi-cellules. L’autre demi-cellule est constituée d’une tige de cadmium (Cd) baignant dans une solution de 1M de Cd++.
On vous demande de calculer :
2 points a) La force électromotrice (f.e.m.) de la pile voltaïque.
1 point b) La masse d’AgCl nécessaire pour que la pile fournisse un courant de 2.6A pendant 2h. Supposer que le concentration de Cd++ reste constante et que la quantité de Cd(s) n’est pas limitante.
2 points c) La force électromotrice (f.e.m.) de la pile après avoir ajouté, aux 500 ml de
100%
solution saturée de AgCl, 0.5845 g de sel de cuisine (NaCl → Na+ + Cl-).
La concentration de Cd++ est toujours 1M.
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Ing 1030 – Chimie pour ingénieur Automne 2002 – Examen final PROBLÈME 2
En hiver le chauffage des bâtiments en construction se fait souvent à l’aide de chaufferettes qui envoient les gaz de combustion directement dans l’espace à chauffer. Ce moyen, bien que énergétiquement très efficace, a deux inconvénients :
• À basse température l’eau résultant de la combustion peut condenser
• La pression de CO peut dépasser la norme de 5 Pa dans l’air et ainsi mettre en danger la santé des travailleurs.
Pour le cas d’une chaufferette qui consomme 7.92 kg/h de propane : C3H8 → a CO2 + b H2O
et qui fonctionne avec un excès d’air de 10%, on vous demande de calculer : 1 point a) La puissance de la chaufferette en kW
2 points b) La température de rosée des gaz de combustion dont la fraction molaire de la vapeur d’eau yH2O est : 0,1419
Pour quantifier la teneur possible de CO dans le bâtiment une étude a été entreprise sur la cinétique d’oxydation du CO :
CO + 1/2O2 → CO2
L’analyse de données cinétiques de l’oxydation du CO à 70oC a permis d’établir la valeur numérique de la constante de vitesse
k(70 oC) = 0,0005493 s –1
Les données cinétiques obtenues à 100oC n’ont pas encore été analysées et se retrouvent au tableau ci-dessous.
Pour compléter l’étude on vous demande de déterminer : 1 point c) L’ordre de la réaction par rapport au CO 2 points d) L’énergie d’activation
1 point e) Le temps nécessaire pour que 95% de CO soit oxydé à 70oC.
Tableau : Données cinétiques à 100oC Temps
secondes Pression de CO en Pa 0
75,5 151 226,5 302 377,5 453 528,5 604 679,5
100,00 50,0 25,0 12,5 6,3 3,1 1,6 0,8 0,4 0,2
200 100 50 25 12,5 6,3 3,1 1,6 0,8 0,4
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Ing 1030 – Chimie pour ingénieur Automne 2002 – Examen final
PROBLÈME 3
Dans le contexte du développement durable, une façon d’utiliser de l’énergie non polluante est celle consistant à transformer le gaz naturel d’origine fossile en hydrogène. En considérant que le gaz naturel est constitué essentiellement de méthane (CH4), la décomposition de ce dernier en hydrogène s’effectue selon l’équilibre chimique suivant en présence d’un catalyseur :
( )
g C( )
s H( )
gCH4 ↔ +2 2
L’hydrogène ainsi produit pourra alimenter les piles à combustible pour générer proprement de l’électricité. La quantité de H2 produite par cette décomposition catalytique à pression atmosphérique augmente avec la température (Tableau 1).
1 point a) Calculer la constante d’équilibre Kp correspondant à 700oC.
1 point b) Par calcul, déterminer si la réaction est exothermique ou endothermique.
Au cours de la décomposition du méthane, du carbone s’accumule sur le catalyseur et, après un certain temps, ce dernier est recouvert de carbone qui devra être éliminé pour réutiliser le catalyseur. Une des méthodes pour l’éliminer est de le faire réagir à pression atmosphérique avec du dioxyde de carbone (CO2) selon la réaction suivante :
( )
s CO( )
g CO( )
g C + 2 ↔22 points c) En considérant que la constante Kc de cet équilibre chimique est de 14 (mole/L) à 1200oC, calculer pour cette température la pression partielle à l’équilibre de CO2 nécessaire pour que la fraction molaire de CO à
l’équilibre atteigne une valeur de 99.94% mol.
Tableau 1. Concentrations molaires de CH4 et de H2 à l’équilibre en fonction de la température, à pression atmosphérique (Ptotale = 1 atm).
Concentration molaire (%) Température (oC)
CH4 (g) H2 (g)
700 71.36 2.64
850 30.48 69.52
950 12.82 87.18
1250 1.05 98.95
1650 0.12 99.88
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ING 1030 – CHIMIE POUR INGÉNIEUR PROBLÈME 4
Une PME qui fabrique des objets en résine polyuréthane et produit de l’urée doit se plier aux exigences de la municipalité. En effet, pour ne pas incommoder les habitants, l’effluent gazeux qui est évacué de l’atelier à pression atmosphérique ne doit pas avoir plus que 3% vol. de NH3. Pour capter la majorité du NH3 on fait passer (barboter) l’effluent gazeux dans un réservoir de 8000L d’eau à 20oC :
1 point a) Déterminer la masse maximale de NH3 qui peut être captée (dissoute) dans le réservoir de 8000L d’eau si on suppose que l’effluent contient 3%
vol. de NH3 (voir schéma).
1 point b) Quel est alors le pH de l’eau?
Pour augmenter la capacité de solubilité de NH3 dans l’eau on propose de rajouter aux 8000L
100%
d’eau 100L d’acide sulfurique à 96% massique (H2SO4 → 2H+ + SO4=); la masse volumique de l’acide sulfurique est de = 1,85 g/ml.
1 point c) Calculer la quantité supplémentaire de NH3 qui peut être captée par l’eau acidifiée.
1 point d) Quel sera alors le pH de l’eau?
Les enseignants
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