Chimie, concours TSPEI 2013 et 2014. Technicien Supérieur Principal de l'Economie et de l'Industrie En poursuivant votre navigation sur ce site, vous acceptez l’utilisation de Cookies vous proposant des publicités adaptées à vos centres d’intérêts. . . . . Métallurgie du titane. Le minerai est transformé en dioxyde de titane TiO2. Cet oxyde réagit à 800 °C sous atmosphère inerte avec du dichlore en présence de carbone pour donner TiCl4 et du monoxyde de carbone CO. 1. Donner la structure électronique de l'atome de chlore et le schéma de Lewis de la molécule de dichlore. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5. La droite d'équation y = 0,5 x est asymptote. 2. Ecrire et équilibrer l'équation de la réaction. TiO2 + 2Cl2 (g) +2 C (s) ---> TiCl4 +2CO(g) 3. Le tétrachlorure de titane est réduit en titane par la magnésium, sous vide, à 800°C. Ecrire l'équation de la réaction. Montrer que l'élément magnésium est le réducteur. TiCl4 +2Mg ---> Ti +2MgCl2. Le nombre d'oxydation du magnésium passe de zéro dans Mg à +II dans MgCl2. Le magnésium est un rducteur qui s'oxyde. 4. Une usine produit 200 tonnes de titane. Déterminer les masses de dioxyde de titane et de carbone nécessaires. M(Ti) = 47,9 g /mol ; M(Mg) = 24,3 g/mol. Quantité de matière de titane : n = 200 106 / 47,9 = 4,175 106 mol. Quantité de matière de TiCl4 : n =4,175 106 mol. Quantité de matière de TiO2 : n =4,175 106 mol. Quantité de matière de carbone : 2n =8,351 106 mol. Quantité de matière de Mg : 2n =8,351 106 mol. M(TiO2)=47,9+32=79,9 g/mol. Masse de TiO2 : 79,9 x4,175 106 =3,34 108 g = 334 tonnes. Masse de carbone : 12 x 8,351 106 =1,00 108 g = 100 tonnes. Masse de magnésium : 24,3 x 8,351 106 =2,03 108 g = 203 tonnes. Dureté d'une eau. La dureté d'une eau est due à la présence d'ion calcium et magnésium. Le degré hydrotimétrique est défini par : °TH = ([Ca2+] +[Mg2+]) / 10-4. L'eau est dure si °TH > 25. 1. Citer quelques inconvénients de l'usage d'une eau dure. Les canalisations s'entatrent ; les savons sont moins efficaces. 2. Ecrire l'équation de la dissolution du carbonate de calcium CaCO3 dans l'eau. Calculer sa solubilité si Ks = 4,0 10-9 à 25°C CaCO3(s) = Ca2+aq +CO32-aq. Ks = [Ca2+aq][CO32-aq] = s2 ; s =(4,0 10-9)½=6,3 10-5 mol/L. La solubilité du crbonate de calcium vaut 4,1 10-5 mol/L à 85°C. En déduire l'influence de la température sur les dépôts calcaires. La solubilité diminue quand la température augmente. Il y a davantage de dépôts calcaire quand la température croît. 3. La détermination de la dureté d'une eau s'effectue à pH = 9. L'indicateur coloré est le NET. En présence d'ion calcium et magnésium, la coloration rouge est due à la formation d'un complexe. On verse une solution d'EDTA de concentration c = 0,010 mol/L dans un volume de 100 mL d'eau. Le changement de couleur se produit pour un volume d'EDTA versé de 22 mL. La réaction se fait mole à mole. Faire un schéma du dispositif expérimental. Calculer la dureté de cette eau. Conclure. A l'équivalence, concentration des ion calcium et magnésium : 22 x0,010 /100=2,2 10-3 mol/L. °TH = 2,2 10-3 / 10-4 = 22. L'eau n'est pas dure. Synthèse de l'éthanol.. L'éthanol est fabriqué par hydratation de l'éthylène en phase gazeuse en présence d'un catalyseur. C2H4 (g)+ H2O (g)= C2H6O (g), constante d'équilibre K. 1. Ecrire l'équation en utilisant les formules développées.  2. Cette réaction est-elle une réaction d'addition ou de substitution ? Donner le mécanisme de la réaction. Addition d'eau sur un alcène. 3. Exprimer la constante K relative à l'équilibre précédent en fonction des pressions partielles. K = Palcool / (Palcène Peau). 4. Les réactifs étant introduits en proportions stoechiométriques, on appelle rendement noté a le nombre de moles d'éthanol formé par mole d'éthylène initial. Montrer que K = a(2-a) / (P(1-a). avancement (mol) éthylène +eau = éthanol initial 0 1 1 0 à l'équilibre a 1-a 1-a a Nombre total de moles : 2-a. Pressions partielles : Palcool = a P /(2-a) ; Péthylène = Peau =(1- a) P /(2-a). Repport dans l'expression de K : K = a(2-a) / (P(1-a). 5. Quelle est l'influence sur a :  d'une élévation de température isobare ? On donne DH°400 = + 42,7 kJ /mol. DH°400 >0, réaction endothermique. Une réaction endothermique est favorisée par une élévation de la température isobare. d'une élévation de pression isotherme ? Le nombre de mole final est inférieur au nombre initial  total de mole : une élévation de pression isotherme déplace l'équilibre dans le sens direct, formation de l''alcool. Le silicium. Il est obtenu par réduction de la silice SiO2 par le carbone. On obtient du silicium et du monoxyde de carbone CO. 1. Ecrire l'équation bilan de la réaction. SiO2 + 2 C(s) ---> Si(s) + 2CO(g). 2. Montrer que le carbone est le réducteur. Le nombre d'oxydation du carbone passe de zéro dans C(s)  à +II dans CO. Le nombre d'oxydation augmente : la carbone est un réducteur qui s'oxyde. 3. La production française de silicium a été de 11000 tonnes en 2011. Calculer les quantités de matière de silicium, de silice, de carbone. En déduire les masse de carbone et de silice. M(Si) = 28,1 g/mol. n(Si) = 11 000 106 / 28,1 = 3,91 108 mol. n(SiO2) = n(Si) ; n(C) = 2 n(Si = 7,83 108 mol. Masse de silice = n(silice) M(silice) =3,91 108 x(28,1 +3x12=2)=2,35 1010 g =2,35 104 tonnes. m(C) = n(C) M(C) =7,83 108x12 =9,4 109 g = 9,4 103 tonnes. . L'eau oxygénée H2O2. Elle se décompose très lentement en eau et dioxygène. Cette réaction peut être accélérée en présence de chlorure de fer (III). 1. Donner le nombre de protons, de neutrons et d'électrons d'un atome d'oxygène. 8 protons, 8 neutrons et 8 électrons. 2. Donner la configuration électronique d'un atome d'oxygène, d'un atome d'hydrogène et en déduire le nombre d'électrons de valence. Oxygène : 1s2 2s2 2p4 ( 6 électrons de valence). Hydrogène : 1s1 ( un électron de valence). 3. Donner la formule de Lewis de la molécule d'eau et sa géométrie d'après la théorie VSEPR. type AX2E2 donc en forme de V. 4. Ecrire l'équation bilan de la réaction de décomposition de l'eau oXygénée. H2O2 ---> H2O +½ O2. 5. On dispose d'une solution d'eau oxygénée de volume V = 100 mL de concentration c = 6 10-3 mol. A l'instant initial, on ajoute 20 mL d'une solution de chlorure de fer (III). On dose ensuite régulièrement la quantité d'eau oxygénée restante. t (min) 5 10 15 20 quantité d'eau oxygénée restante (mmol) 0,46 0,37 0,29 0,23 Calculer la quantité de matière initiale d'eau oxygénée :  V c = 0,100 x6 10-3 = 6,3 10-4 mol = 0,63 mmol. Calculer les quantités de matière de dioxygène formé à t = 10 min et t = 15 min. A t = 10 min : quantité de matière d'eau oxygénée ayant réagi : 0,63 -0,37 =0,26 mmol. Il s'est formé 0,13 mmol de dioxygène. A t = 15 min : quantité de matière d'eau oxygénée ayant réagi : 0,63 -0,29 =0,34 mmol. Il s'est formé 0,17 mmol de dioxygène. Calculer la vitesse moyenne ( mol s-1) de formation du dioxygène entre ces deux instants. (0,17-0,13) / (5 x60)= 1,33 10-4 mmol s-1 = 1,33 10-7 mol s-1. Comment appelle t-on le rôle joué par la solution de chlorure de fer (III). Catalyseur. Protection du fer. Pour protéger contre la corrosion une cuve en acier ( fer + carbone) enfouie dans le sol, on la relie par l'intermédiaire d'un fil métalique à une électrode de magnésium. Données : potentiel standard des couples redox E°(Fe2+ / Fe) = -0,44 V ; E°(Mg2+ / Mg) = -2,37 V Masse molaire ( g/mol) Fe : 55,8 ; Mg : 24,3 ; 1 F = 9,65 104 C. 1. Ecrire et équilibrer les demi-équations électroniques qui se produisent sur l'électrode de magnésium et sur la cuve. Indiquer l'oxydation et la réduction. Oxydation du magnésium : Mg = Mg2+ + 2e-. Réduction des ions Fe2+ ( au niveau de la cuve) : Fe2++ 2e- = Fe. 2. Compléter le schéma en indiquant le sens de circulation des électrons, le sens de l'intensité du courant, le pôle +, le pôle-, l'anode, la cathode. 3. Expliquer pourquoi le magnésium est capable de protéger le fer. Le magnésium est un métal plus réducteur que le fer : E°(Mg2+ / Mg) <E°(Fe2+ / Fe) Le magnésium s'oxyde à la place du fer ; ce dernier est donc protégé tant qu'il y a du magnésium. La masse de magnésium utilisé est m = 200 g. On admet que le courant de protection d'intensité I=15 mA est constant. 4. Calculer la durée Dt de cette protection, exprimée en secondes puis en années. Quantité de matière (mol) de magnésium = masse (g) / masse molaire (g/mol) n(Mg) = m/M= 200 / 24,3 = 8,23 mol Or Mg = Mg2+ + 2e-. donc la quantité de matière d'électrons est égale à : n(e-) = 2 n(Mg) = 16,5 mol ( 16,460) La quantité d'électricité traznsportée par une mole d'électrons est : 96500 C Quantité d'électricité Q = 96500 * n(e-) = 96500*16,46 = 1,59 106 C ( 1,5885 106) Quantité d'électricité Q = IDt  avec I= 0,015 A Dt = 1,5885 106 / 15 = 1,06 108 s soit 3,36 ans. 5. Quelle serait la masse de fer qui disparaîtrait pendant la même durée, dans les mêmes conditions si la cuve n'était pas protégée ? n(Fe) = n(Mg) = 8,23 mol masse (g) = masse molaire du fer (g/mol) * quantité de matière (mol) m(fer) = 55,8*8,23 = 459 g. .

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