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Le 05/02/2015 Devoir n°3 (2h) - Calculatrice autorisée Page : 1 / 5
I. Un exercice « salé » ou comment déterminer la concentration en ion chlorure (13 points)
On souhaite déterminer la concentration en ions chlorure de l’eau d’une lagune salicole.
1. Dosage par la méthode de Fajans
La méthode utilise les ions argent par formation d’un précipité blanc avec les ions chlorure selon la réaction d’équation : Ag+(aq) + Cℓ-(aq) AgCℓ(s)
La manipulation, appelée titrage, s’effectue en présence d’un indicateur de fin de réaction, la 2’-7’-dichlorofluorescéine.
On dilue 20 fois le prélèvement d’eau effectué dans une lagune salicole et on prélève un volume V1 = 10,0 mL de cette solution. On verse progressivement une solution de nitrate d’argent de concentration
c = 5,00 10-2 mol.L-1 en présence de 2’-7’-dichlorofluorescéine. Le changement de couleur du mélange réactionnel a lieu pour un volume versé de nitrate d’argent VE = 17,1 mL.
Données : la chlorinité (notée Cℓ) s’exprime en g.L-1 et est égale à la concentration massique en ions chlorure.
M(Cℓ) =35,5 g.mol-1 Document 1 :
« DITTMAR (chimiste allemand), a analysé 77 échantillons d’eau de mer prélevés par le Challenger pendant son tour du monde (1 873 -1 876). Il en a déduit en 1 884 une loi, dite loi de DlTTMAR :
Dans l’eau de mer, quelle que soit la salinité, à condition qu’elle ne soit pas trop faible, les proportions relatives des principaux constituants sont pratiquement constantes et le dosage de l’un d’eux donne la teneur des autres et aussi la salinité.
La salinité (S) [en g.L-1] est, d’après la loi de DITTMAR, proportionnelle à la chlorinité (Cℓ). Nous considérons actuellement que (S) = 1,806655 (Cℓ).
La chlorinité est déterminée en précipitant les halogènes par du nitrate d’argent. »
Extrait de J.-R GlRARDOT, Capteurs et instrumentation utilisés en océanographie physique, Laboratoire de physique des océans, Université de Brest, 2002.
Document 2 :
Petit crustacé de 8 à 15 mm, l’Artemia salina (ci-contre) vit dans les lacs salés, les lagunes salicoles et les marais salants.
Paramètres de maintenance : pH: 7,8 à 9,5; température : 10 °C à 28 °C; salinité minimale : 30 g.L-1.
Document 3 :
Lorsque les ions chlorure sont entièrement consommés, l’indicateur est entièrement adsorbé par le précipité blanc qui prend soudain une teinte rougeâtre prononcée. La fluorescéine et la 2’-7’-dichlorofluorescéine conviennent toutes deux.
D’après J. Mendham, R.C. Denney, J. Barnes, M. THOMAS, Analyse quantitative de Vogel, De Boeck, 2006.
Document 4 : Extrait des propriétés toxicologiques du 2’-7’-dichlorofluorescéine
Source : http://www.csst.qc.ca/prevention/reptox/Pages/fiche-complete.aspx?no_produit=110999&no_seq=4
Effets aigus (Mise à jour: 1991-09-11) : Irritation possible: peau, yeux, voies respiratoires
Effets sur le développement (Mise à jour: 2000-07-03) : Aucune donnée concernant un effet sur le développement n’a été trouvée dans les sources documentaires consultées
Effets sur la reproduction (Mise à jour: 2000-07-03) : Aucune donnée concernant les effets sur la reproduction n’a été trouvée dans les sources documentaires consultées
Données sur le lait maternel : (Mise à jour: 2000-07-03) : Il n’y a aucune donnée concernant l’excrétion ou la détection dans le lait
Effets cancérogènes (Mise à jour: 2000-07-03) : Aucune donnée concernant un effet cancérogène n’a été trouvée dans les sources documentaires consultées
Document 5 : Extrait des propriétés toxicologiques du chromate de potassium
Source : http://www.csst.qc.ca/prevention/reptox/Pages/fiche-complete.aspx?no_produit=52514
Absorption (Mise à jour: 1996-05-15) : Ce produit est absorbé par les voies respiratoires, la peau et les voies digestives
Effets aigus (Mise à jour: 1996-05-15) : On se réfère à la toxicité des composés de chrome hexavalent irritation possible yeux, peau, voies respiratoires supérieures. Inhalation forte dose; toux, dyspnée irritation bronchique Ingestion irritation grave des voies digestives, gastro-entérite hémorragique, néphrite tubulaire et hépatotoxicité possibles.
Effets chroniques (Mise à jour: 1996-05-15) : On se réfère à la toxicité des composés de chrome hexavalents:
ulcérations cutanées aux doigts, au dos de la main et aux avant-bras. Inhalation: ulcération et perforation de la cloison nasale, pharyngite, nausées, troubles digestifs et dommages rénaux.
Sensibilisation (Mise à jour: 2005-03-31) : Aucune donnée concernant la sensibilisation respiratoire et cutanée pour ce produit n’a été trouvée dans les sources documentaires consultées. Cependant certains chromates (chrome VI) sont reconnus comme causant ou pouvant causer de la sensibilisation respiratoire et cutanée.
Effets sur le développement (Mise à jour: 1996-05-21) : Aucune donnée concernant le développement prénatal n’a été trouvée dans les sources documentaires consultées
Données sur le lait maternel (Mise à jour: 1996-05-21) : il n’y a aucune donnée concernant l’excrétion ou Is détection dans le lait.
Effets cancérogènes (Mise à jour : 2012-02-10) : Effet cancérogène démontré chez l’humain.
1.1. Sur le site http://www.univ-brest.fr/lpo/instrumentation/07.htm, la salinité est définie par « le poids en grammes de résidu solide contenu dans un kilogramme d’eau de mer ».
Quel est le terme incorrect utilisé dans cette définition ? Rectifier alors la définition.
1.2. Lors du TP, vous avez utilisé du chromate de potassium (2 K+(aq) + CrO4 2-
(aq)) comme indicateur de fin de réaction. Justifier l’emploi de la dichlorofluorescéine dans ce dosage plutôt que du chromate de potassium.
1.3. Comment doit être la valeur de la salinité de l’eau pour que l’artémia puisse survivre ? 1.4. Problème : Déterminer si les artémias peuvent survivre dans la lagune salicole étudiée.
Remarque : L’analyse des données et la démarche suivie sont évaluées et nécessitent d’être correctement présentées.
2. Dosage conductimétrique
Pour vérifier la salinité de l’eau de la lagune utilisée précédemment, un élève effectue un dosage conductimétrique. Son protocole est le suivant avec le matériel adéquat :
Il dilue 100 fois l’eau de la lagune pour réaliser 100,0 mL de solution diluée.
Il prélève un volume V2 = 20,0 mL de la solution diluée
Il ajoute environ 100 mL d’eau distillée
Il remplit une verrerie (nom à trouver par la suite) de solution de nitrate d’argent de concentration c’ = 4,00 10-2 mol.L-1, vérifie qu’il n’y ait aucune bulle d’air et que le « zéro » soit fait.
Il réalise le montage qui lui permet de faire le dosage conductimétrique.
Il mesure la conductivité en fonction du volume V de solution de nitrate d’argent versé.
2.1. Parmi la liste de matériel ci-dessous, cocher le matériel indispensable pour réaliser ce protocole expérimental. Tout n’est pas à cocher.
bécher de 50 mL
éprouvette graduée de 100 mL
fiole jaugée de 100, 0 mL
fiole jaugée de 50,0 mL pipette graduée
de 5,0 mL
pipette jaugée de 10,0 mL
pipette graduée de 1,0 mL
bécher de 100 mL bécher
de 250 mL
pipette graduée de 25,0 mL
burette graduée de 25,0 mL
sonde pH-métrique sonde
conductimétrique
erlenmeyer de 250 mL
pipette jaugée de 20,0 mL
Les mesures conductimétriques sont les suivantes :
V(mL) 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0
(S/m) 0,21 0,205 0,195 0,185 0,18 0,17 0,165 0,16 0,15 0,15 0,165 0,175 0,185 0,20 0,21 0,22
2.2. Tracer sur le papier millimétré page 5 la courbe = f(V)
2.3. A l’aide d’un tracé que vous expliquerez, déterminer, à 0,1 mL près, le volume à l’équivalence VE. 2.4. Expliquer, sans calcul, les variations de la conductivité en fonction du volume V avant l’équivalence et
après l’équivalence.
Données : loi de Kohlrausch : = i [Xi] ;
conductivités molaires ioniques : (Na+(aq)) = 5,01 mS.m².mol-1 ; (Cℓ-(aq)) = 7,63 mS.m².mol-1 ;
(NO3 -
(aq)) = 7,14 mS.m².mol-1 ; (Ag+(aq)) = 6,19 mS.m².mol-1
2.5. En déduire la concentration molaire C2 de l’eau de la lagune. Rappel : [Ag+(aq) ] = 4,00 10-2 mol.L-1 2.6. Votre valeur de la salinité est-elle cohérente avec celle trouvée dans la 1ère partie ?
Rappels : M(Cl) = 35,5 g.mol-1 ; Loi de Dittmar : salinité (S) = 1,806655 chlorinité (Cℓ) ; la chlorinité (notée Cℓ) s’exprime en g.L-1 et est égale à la concentration massique en ions chlorure.
II. Pile à hydrogène (8 points)
Madame Dupondt, dirigeante d’une société de dépannage à domicile, est soucieuse de l’impact que son entreprise peut avoir sur l’environnement. Afin de diminuer les émissions de gaz à effet de serre et ainsi améliorer le bilan carbone de son entreprise, elle envisage d’installer 70 m² de panneaux solaires sur le toit de ses bâtiments et elle se demande si son installation solaire permettrait de générer l’électricité nécessaire au rechargement du véhicule à hydrogène de sa société qui parcourt en moyenne 20 000 km par an.
Document 1 - Panneau photovoltaïque
Le rendement de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique des cellules photovoltaïques est de l’ordre de 20 %.
La puissance solaire moyenne reçue par unité de surface de panneau est 200 W.m-2.
L’énergie E, la puissance P et la durée t sont reliés par la relation suivante : E = P t avec E en joules si P en watts et t en s.
On évalue à 12h la durée moyenne d’ensoleillement journalière.
Document 2 - Une voiture à hydrogène
Une voiture à hydrogène dispose d’un moteur électrique alimenté par une pile à combustible.
Cette pile fonctionne grâce à une réaction d’oxydoréduction. Le dihydrogène contenu dans le réservoir de la voiture réagit avec le dioxygène de l’air qui est insufflé par un compresseur placé dans le compartiment moteur.
L’énergie électrique est produite par l’alternateur, et l’eau générée par la transformation est expulsée via le tuyau « d’échappement ». Son rendement est d’environ 50 %
Le dihydrogène nécessaire au fonctionnement de la pile est stocké à l’état gazeux sous une pression de 350 bar dans un réservoir de 110 L placé à l’arrière. Cette capacité de stockage confère au véhicule une autonomie de 200 km.
Pour des raisons pratiques et de sécurité, le constructeur a opté pour une solution dans laquelle le dihydrogène est directement produit dans le véhicule par électrolyse de l’eau.
A l’intérieur du réservoir, le volume occupé par une mole de dihydrogène gazeux, appelé volume molaire, est égal à 0,070 L.mol-1lorsque le réservoir est plein.
Document 3 - Production de dihydrogène par électrolyse
Le dihydrogène est produit par une électrolyse de l’eau dont l’équation est la suivante : 2 H2O (ℓ) 2 H2(g) + O2(g)
L’énergie chimique à fournir pour former une mole de dihydrogène est 286 103 J.mol-1
Seuls 60 % de l’énergie électrique nécessaire à cette électrolyse sont transformés en énergie chimique utilisable pour la réaction chimique.
Données : couples oxydant/réducteur : H+(aq) /H2(g) ; O2(g)/H2O (ℓ)
1) Donner la légende de l’électrolyse de l’eau schématisée ci-dessous. Vous préciserez le sens de l’intensité I, le sens de déplacement des électrons, l’anode, la cathode. Indiquer le gaz recueilli dans chaque tube à essais.
2) Pour la pile à combustible (schématisée ci-dessous), écrire la demi-équation se produisant à chaque électrode. En déduire la nature de chaque électrode (anode ou cathode).
3) Compléter alors le schéma de la pile à combustible et indiquer le sens de déplacement des électrons.
4) Compléter ci-dessous la chaîne énergétique que Mme Dupondt souhaite réaliser
5) Préciser le rendement des différentes conversions (a), (b) et (c).
6) Problème : Pensez-vous que le cahier des charges de Mme Dupondt soit réalisable ? Si non, quelle proposition pouvez-vous lui faire pour atteindre son objectif ?
H2(g)
H2(g) en excédent
O2(g)
...
électrolyte H+
H+
électrode électrode
lampe
énergie ...
énergie ...
énergie ...
énergie ...
(a) (b) (c)
Tracer sur le papier millimétré ci-dessous la courbe = f(V)
V(mL) 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0
(S/m) 0,21 0,205 0,195 0,185 0,18 0,17 0,165 0,16 0,15 0,15 0,165 0,175 0,185 0,20 0,21 0,22
Echelles : 1 cm pour 1 mL ; 1 cm pour 0,02 S/m
O
