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Elaboration
du fer à partir de son minerai.
La fabrication du fer s'effectue dans une tour appelée haut-fourneau.
On le charge avec du coke ( carbone C) et du minerai de fer dont la
teneur massique en oxyde de fer Fe2O3
est 20%. En fin de transformation on obtient du fer et du dioxyde de
carbone. On mélange 30 kg de coke et 103 kg de
minerai de fer.
Ecrire
et équilibrer l'équation de la réaction entre le carbone et l'oxyde de
fer.
3C (s)+ 2Fe2O3 (s)--->4Fe (s)+ 3CO2(g).
Calculer
la masse d'oxyde de fer contenue dans le minerai de fer.
1000 *0,20 = 200 kg.
Calculer
les nombres de moles des deux réactifs présents initialement. Quel
réactif est en excès ?
n(C) = 30 103 / 12 = 2,5 103
mol.
M(Fe2O3
) =2*56+3*16 =160 g/mol ; n(Fe2O3) =200 103 / 160 =
1,25 103 mol.
| état |
avancement
(mol) |
3C (s) |
+ 2Fe2O3
(s) |
--->4Fe
(s) |
+ 3CO2(g) |
| initial |
0 |
2,5 103 |
1,25 103 |
0 |
0 |
| en
cours |
x |
2,5 103-3x |
1,25 103-2x |
4x |
3x |
| fin |
xmax |
2,5 103-3xmax |
1,25 103-2xmax |
4xmax |
3xmax |
| 625 |
2500-3*625
= 625 mol |
0 |
4*625
=2500 mol |
3*625
=1875 mol |
Si le
carbone est en défaut : 2,5 103-3xmax=0 ; xmax= 833 mol.
Si Fe2O3
est en défaut :
1,25 103-2xmax=0 ; xmax= 625 mol.
On retient la plus petite valeur : Fe2O3
est en défaut.
Calculer
la masse de fer obtenue.
n(Fe) M(Fe) = 2500*56 =1,4 105 g = 140 kg.
Calculer le volume ( en m3) de dioxyde de
carbone dégagé. Vm = 24 L / mol.
n(CO2) Vm = 1875*24 = 4,5 104
L = 45 m3. |
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Décomposition de l'eau oxygénée.
H2O2(aq) ---> H2O(l) + ½O2(g), lente, catalysée par les ions fer(III).
Donner le nombre de protons, de neutrons, de nucléons et d'électrons d'un atome d'oxygène 168O.
16 nucléons, 8 protons, 8 neutrons et 8 électrons..
Donner les formules de Lewis des molécules de dioxygène et d'eau et donner leur géométrie.
On dispose d'une solution d'eau oxygénée de volume V=100 mL et de concentration C=6,0 10-3 mol/L.
A
l'insatnt initial, on ajoute 20 mL d'une solution de chlorure de fer
(III). On dose régulièrement la quantité d'eau oxygénée restante à t
=10 min puis à t = 15 min.
| t (min) | 5 | 10 | 15 | 20 | | quantité H2O2 restant (mol) | 4,6 10-4 | 3,7 10-4 | 2,9 10-4 | 2,3 10-4 |
Calculer la quantité de matière d'eau oxygénée à l'instant initial.
n0 = V C = 0,10 *6,0 10-3 =6,0 10-4 mol.
Calculer la quantité de matière de dioxygène formé à t = 10 min et à t = 15 min.
| état | avancement (mol) | H2O2(aq) | ---> H2O(l) | ½O2(g) | | initial | 0 | 6,0 10-4 | solvant | 0 | | t = 10 min | x = 2,3 10-4 | 6,0 10-4-x =3,7 10-4 | 0,5 x = 1,15 10-4 | | t = 15 min | x' = 3,1 10-4 | 6,0 10-4-x' =2,9 10-4 | 0,5 x' = 1,55 10-4 |
Calculer la vitesse moyenne de formation du dioxygène ( mol L-1 s-1) entre les dates t = 10 min et t = 15 min.
vmoy = 1/V Dn(O2) / Dt = 1/0,1 * (1,55 10-4-1,15 10-4) / (5*60) =1,3 10-6 mol L-1 s-1.
Comment appelle-t-on le rôle joué par la solution de chlorure de fer (III) ?
L'ion Fe3+ joue le rôle de catalyseur.
Contrôle de la teneur en SO2 dans un effluent gazeux d'une cheminée.
Le dioxyde de soufre SO2 est un gaz qui a des
propriétés réductrices et qui est
présent dans l'air pollué. Quand on fait
barboter un grand volume d'air dans un litre d'eau, le
dioxyde de soufre va se dissoudre dans l'eau. Il est
possible par la suite, de le titrer à l'aide d'une
solution de permanganate de potassium, lors d'une
réaction 'oxydo-réduction. La concentration
massique du dioxyde de soufre dans l'air pollué est
ainsi déduite de ce titrage.
Une solution S est préparée en faisant
barboter 0,10 m3 d'air
prélevé à proximité de la sortie de la cheminée dans V0 = 50 mL d'eau. Cette solution est placé
dans un bécher de 100 mL. La solution violette de
permanganate de potassium de concentration C1 = 2,5
10-3 mol/L est ensuite versée goutte
à goutte jusqu'à persistance de la
coloration. Véq = 12 mL.
Ecrire les demi-équation d'oxydo-réduction correspondant aux couples SO42-aq /
SO2 aq (E° = 0,17 V) et
MnO4-aq / Mn2+
aq (E° =1,51 V)
Retrouver l'équation de la réaction de dosage et justifier son sens d'écriture à l'aide des potentiels standards.
2MnO4-aq +
5SO2 aq + 2H2O(l) =
4H+ aq + 2 Mn2+
aq + 5
SO42-aq.
L'ion permanganate est l'oxydant le plus fort et le dioxyde de soufre est le réducteur le plus fort.
Réduction de l'ion permanganate :
2 fois {
MnO4-aq +8H+
aq +5e- = Mn2+
aq +4
H2O(l)}
Oxydation de SO2 : 5
fois { SO2 aq +
2H2O(l) =
SO42-aq + 2e-
+ 4H+
aq}
Puis additionner les deux
demi-équations :
2MnO4-aq
+16H+ aq +10e-
+5 SO2
aq + 10H2O(l) = 2Mn2+
aq + 8 H2O(l) +5
SO42-aq + 10e-
+ 20H+ aq.
Simplifier : 2MnO4-aq
+16H+ aq
+5 SO2 aq + 10H2O(l)
= 2Mn2+ aq + 8 H2O(l) +5
SO42-aq +
20H+ aq
2MnO4-aq
+5 SO2
aq + 2H2O(l) = 2Mn2+
aq +5 SO42-aq
+4H+ aq.
Expliquer le changement de couleur qui permet de repérer l'équivalence.
L'ion
permanganate est la seule espèce colorée ( violet). Avant l'équivalence
l'ion permanganate est en excès ; après l'équivalence l'ion
permanganate est en défaut.
Quelle est la quantité de matière d'ion permanganate contenus dans les 12 mL de solution utilisés pour obtenir l'équivalence ?
n1 =C1 Véq =2,5
10-3 *0,012 =3,0 10-5 mol.
En
déduire le nombre de moles de dioxyde de soufre dans les 50 mL de
solution préparée puis vérifier que l'effluent gazeux analysé contient
7,5 10-4 mol de SO2 par m3.
| état | avancement (mol) | 2MnO4-aq | +5 SO2
aq | ........ |
| | initial | 0 | 3,0 10-5 | n |
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| | en cours | x | 3,0 10-5-2x | n-5x |
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| | fin ( équivalence) | xmax | 3,0 10-5-2xmax =0 | n-5xmax =0 |
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3,0 10-5-2xmax =0 donne xmax =1,5 10-5 mol et n-5xmax =0 donne n = 5xmax =5*1,5 10-5 = 7,5 10-5 mol dans 0,10 m3 d'air soit 7,5 10-4 mol de SO2 par m3.
Sachant que la norme est de 250 µg m-3 de dioxyde de soufre, conclure.
M(SO2) = 32+2*16 = 64 g/mol ; m = 7,5 10-4 *64 =0,024 g m-3 = 2,4 104 µg m-3 ; l'effluent ne respecte pas la norme.
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