Entretion de la chaudière : chimie.
 


Étude de la mise en place d’un adoucisseur d’eau en amont.
Le document suivant présente une situation d’évaluation proposée aux élèves au cours de la classe de terminale.
Définir la dureté de l’eau.
Définir le titre hydrotimétrique total d’une eau.
La dureté d'une eau est donnée par la concentration totale en ions calcium et en ions magnésium. On définit le titre hydrotimétrique (°TH) par : 1° TH = 10-4 mol/L d'ion calcium et magnésium. A partir de 25°TH, l'eau est qualifiée de dure. Il est admis qu'une dureté comprise entre 15 et 20 degrés français est idéale.
L'utilisation d'une eau trop dure provoque l'entartrage des canalisations et est néfaste à la santé.
 
Proposer un protocole expérimental permettant de vérifier si l'adoucisseur d'eau joue bien son rôle.
On dispose de deux échantillons d'eau A : eau prélevée avant l'adoucisseur ; B : eau prélevée après l'adoucisseur.
Dans un tube à essai on verse 2 mL de l'eau A, puis quelques gouttes de réactif d'identification des ions calcium, l'oxalate d'ammonium : on observe un précipité blanc.
Dans un tube à essai on verse 2 mL de l'eau A, puis quelques gouttes de réactif d'identification des ions magnésium, le jaune de thiazole : on observe un précipité rouge.
Faire de même avec l'échantillon B: si l'adoucisseur est bien réglé, on ne doit pas observer de précipités.
Pour déterminer la dureté de l'eau adoucie ( eau B), on réalise un dosage colorimétrique. L'indicateur d'équivalence utilisé est le NET. Dans les conditions de l'expérimentation, à l'équivalence, on considère que 1degré français correspond à 1 mL d'EDTA ajouté.

Estimer l'encadrement du volume d'EDTA versé attendu à l'équivalence dans le cas d'une eau dure idéale.
Il est admis qu'une dureté comprise entre 15 et 20 degrés français est idéale. Le volume d'EDTA est donc compris entre 15 et 20 mL.

 


A propos du désembouage.
Préciser le type de réaction chimique que subit le métal lors de sa corrosion.
Lors de la corrosion un métal s'oxyde.
Citer trois facteurs qui favorisent la corrosion.
Le dioxygène de l'air, l'humidité, la présence d'un milieu marin conducteur ( ions sodium ), la réalisation d'une pile électrochimique en présence d'un autre métal..
 Parmi les moyens de protection d’un métal contre la corrosion on utilise par exemple la passivation d’un métal par l’acide nitrique fumant. Expliquer le principe de la protection d’un métal par passivation.
Le métal est recouvert d'un film artificiel ou naturel qui ralenti la vitesse de corrosion. Bien souvent ( aluminium, acier inoxydable, titane) ce film apparaît spontanément par oxydation : l'oxyde formé est insoluble, protecteur du métal.
Le tartre est essentiellement constitué de carbonate de calcium solide de formule CaCO3(s).
Déterminer la solubilité du carbonate de calcium dans l’eau à 25°C, en considérant que les espèces dissoutes n’ont pas de propriétés acido-basiques particulières. Détailler le raisonnement en s’appuyant sur un tableau d’avancement. On donne pKs(CaCO3) = 8,4 à 25°C.

avancement volumique (mol / L)
CaCO3(s)
---> Ca2+aq
+CO32-aq
Etat initial
0
n
0
0
en cours
x
n-x
x
x
Etat final
xf
n-xf
xf xf
Ks = [Ca2+aq]éq [CO32-aq]éq = xf2.
 xf = 10-4,2 = 6,3 10-5 mol/L.
 En considérant maintenant les propriétés acido-basiques des ions carbonate
CO32-aq dans l’eau, prévoir par un raisonnement qualitatif si la valeur réelle de la solubilité est supérieure, égale ou inférieure à celle déterminée précédemment.
CO32- aq + H2O = HCO3-aq + HO-aq.
L'équilibre CaCO3(s) = Ca2+aq + CO32-aq est déplacé dans le sens direct. La solubilité croît.


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À propos des gaz d’échappement et des condensats.
Les gaz d’échappement, dont le dioxyde de carbone produit par la combustion, se dissolvent dans l’eau des condensats. Ainsi une partie du dioxyde de carbone gazeux produit par la chaudière n’est pas évacuée dans l’atmosphère mais est dissoute dans l’eau des condensats.
Le graphe suivant présente le diagramme de distribution des espèces acido-basiques issues du dioxyde de carbone dissous (CO2, H2O) en fonction du pH, les valeurs de pKa des couples en jeu étant :
pKa1 (CO2,H2O / HCO3-) = 6,4 et
pKa2 ( HCO3-/ CO32-) = 10,3.
Expliquer en quoi le piégeage du dioxyde de carbone dans les condensats est intéressant.
Le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre ; il contribue au réchauffement climatique. Moins on en rejette, plus on lutte contre cet effet de serre.
Attribuer aux trois courbes du diagramme les différentes espèces en jeu. Retrouver les valeurs des pKa associés aux couples concernés. Justifier la réponse.

A pH = pKa, les formes acide et base d'un couple acide/base ont la même concentration.
 Calculer le pH d’une eau exempte de toute espèce dissoute à l’exception du dioxyde de carbone, sachant que la concentration de dioxyde de carbone (CO2, H2O) est constante et vaut C0 = 7,0.10-5 mol.L-1. On détaillera le raisonnement et on vérifiera la validité des approximations effectuées.
On fait l'hypothèse que le pH est très inférieur à 10,3 : dans ce cas l'ion carbonate est négligeable devant les autres espèces.
Ka1 = [HCO3-][H3O+] / [
CO2, H2O].
La solution est électriquement neutre :
[HCO3-]=[H3O+] = (Ka1c0)½ =(10-6,4 *7,0 10-5)½ =5,3 10-6 mol/L ; pH = -log(5,3 10-6) =5,3.
L'hypothèse formulée est bien vérifiée.

 L’acidité des condensats peut porter atteinte aux canalisations en fonte (alliage de fer et de carbone). Expliquer à l’aide de l’équation d’une réaction chimique.
Fe(s) + 2
H3O+aq ---> Fe2+aq + H2(g) + 2H2O.
Il est recommandé d’utiliser des filtres neutralisants qui diminuent l’acidité des condensats avant leur évacuation vers les eaux usées dans les égouts. Les filtres neutralisants sur le marché contiennent de la Calcite et du Corosex. La Calcite est un sable qui contient du carbonate de calcium et le Corosex est un oxyde de magnésium. Estimer si le Corosex est une base plus forte ou plus faible que la Calcite.
L'oxyde de magnésium MgO est une base bien plus forte que l'ion carbonate.





Mesure de la teneur en monoxyde de carbone.
En France, l’entretien annuel de son installation de chauffage et de production d’eau chaude est obligatoire. La visite d’entretien par un professionnel comporte une liste d’opérations à effectuer, comme la mesure de la teneur en différents gaz selon le type de chaudière (dioxyde de carbone, monoxyde de carbone, dioxygène, etc.).
Donner la formule de Lewis des trois gaz cités précédemment (CO2, CO et O2).

Préciser en quoi il est important de mesurer la teneur en monoxyde de carbone.
Le monoxyde de carbone est un gaz incolore, inodore, asphyxiant.
Schéma de principe d'un capteur électrochimique de détection du CO.

Écrire la demi-équation électronique pour le couple CO2/CO à l’électrode de travail. Préciser de quel type d’électrode (anode ou cathode) il s’agit.
Oxydation du CO en CO2 à l'anode : CO((g) +H2O(l)= CO2(g)+2H+aq + 2e-.
 Écrire la demi-équation électronique pour le couple O2/H2O à l’électrode auxiliaire. Préciser de quel type d’électrode (anode ou cathode) il s’agit.
Réduction de O2 en H2O à la cathode : ½O2(g) +
2H+aq + 2e- = H2O(l)
 En déduire l’équation de la réaction de fonctionnement de ce capteur électrochimique.
CO((g) +½O2(g)  =CO2(g).
Expliquer en quoi ce capteur est assimilable à une pile électrochimique.
Ce capteur est constitué de deux électrodes différentes en contact avec un électrolyte. Des électrons sont libérés à l'anode ( où se produit une oxydation ), traverse le circuit extérieur ( potentiostat, R) et gagne la cathode positive ( où se produit une réduction ).





  

Évaluation de la réalisation d’une pile électrochimique.
En classe de première professionnelle, l’enseignant souhaite évaluer la capacité de ses élèves à « réaliser une pile et mesurer la tension aux bornes de cette pile ». Pour cela il leur fournit le schéma du montage permettant de mesurer la force électromotrice de la pile Daniell. Le schéma n’est pas donné dans cet énoncé, cependant on rappelle au candidat que la pile Daniell est constituée par les couples redox Cu2+/Cu et Zn2+/Zn, de potentiels
standards respectifs E°(Cu2+/Cu) = 0,34 V et E°(Zn2+/Zn) = - 0,76 V (à 25°C).
Réaliser un schéma légendé du montage expérimental permettant de mesurer la force électromotrice de la pile Daniell.

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