L'ozone,
Bts métiers de l'eau 2018.
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L'ozonation. 16 points.
1. L’élément oxygène.
1.1. L’oxygène
existe sous la forme de trois isotopes de nombre de masse respectifs
16, 17 et 18. Rappeler la définition du terme « isotope ».
Des
isotopes ne diffèrent que par leur nombre de neutrons. Ils ont le même
numéro atomique Z.
1.2. Le plus important des corps purs simples formés avec l’oxygène est le dioxygène O2.
Proposer la représentation de Lewis de cette molécule.
1.3. L’ozone ou trioxygène, est une molécule triatomique formée de trois atomes d’oxygène et donc de formule chimique O3.
1.3.1. Indiquer parmi les formules de Lewis proposées ci-dessous celle qui correspond à la molécule d’ozone.
1.3.2. À l’aide de la méthode VSEPR, en déduire sa géométrie en justifiant la réponse.
type AX2E1,
en forme de V.
2. Traitement de l’eau par l’ozone.
Le manganèse, abondant à l’état naturel dans tous types de roche, se retrouve à l’état dissous, sous forme d’ions manganèse Mn2+(aq), dans bon nombre d’eaux naturelles. Le manganèse neprésente pas de danger pour la santé mais il donne à l'eau un goût désagréable et une couleur brune. Pour éliminer les ions manganèse Mn2+(aq), l'oxydation par l'ozone peut être une solutionefficace.
2.1. Donner la configuration électronique de l’atome de manganèse dans son état fondamental.
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5.
2.2. En déduire la configuration électronique de l’ion manganèse Mn2+.
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5.
Le diagramme potentiel-pH simplifié du manganèse est représenté pour une concentration molaire en manganèse égale à 1,0.10-2mol.L-1. Les espèces du manganèse pouvant être présentes dans l’eau sont les suivantes : Mn(s), les ions manganèse Mn2+(aq) et Mn3+(aq), les hydroxydes de manganèse Mn(OH)2(s) et Mn(OH)3(s).
2.3. Donner le nombre d’oxydation de l’élément manganèse dans les cinq espèces pouvant être présentes dans l’eau.
zéro dans Mn ; II dans Mn2+(aq) et Mn(OH)2(s) ; III dans Mn3+(aq) et Mn(OH)3(s).
2.4. Attribuer l’espèce du manganèse correspondant à chacun des domaines.
2.5. Donner la demi-équation rédox associée au couple O2(g) / H2O(ℓ) puis en utilisant la formule de Nernst, écrire l’équation de la droite frontière séparant les domaines de O2(g) et de H2O(ℓ), pour une pression en dioxygène égale à 1 bar.
O2 (g) +2H+ +2e- = H2O(l).
E = 1,23 + 0,03 log(PO2 [H+]2)= 1,23 +0,06 log [H+] ; E = 1,23 -0,06 pH.
2.6. D’après le diagramme potentiel-pH, discuter de la stabilité de Mn2+(aq) dans l’eau, en milieu acide.
Mn2+aq et H2O appartiennent au même domaine. Mn2+aq est stable dans l'eau en milieu acide.
2.7. Déterminer à l’aide du diagramme potentiel-pH la valeur du pH de précipitation du dihydroxyde de manganèse Mn(OH)2(s) et écrire l’équation de la réaction.
pH ~ 8,6.
Mn2+aq + 2HO-aq ---> Mn(OH)2(s).
2.8. Retrouver par le calcul le pH de début de précipitation de Mn(OH)2(s) pour une concentration molaire égale à 1,0.10-2mol.L-1 en ions Mn2+(aq). Ks(Mn(OH)2) = 2,0 10-13.
2,0 10-13 = (Mn2+][HO- ]2 ; [HO- ]2 = 2,0 10-13 / 0,01 = 2,0 10-11 ; [HO- ]=4,47 10-6 mol / L.
pH = 14 + log(4,47 10-6) =8,65.
2.9. L'ozone peut oxyder les ions Mn2+ à pH égal à 7. Justifier cette affirmation par une lecture du diagramme potentiel-pH.
O3 et Mn2+ appartiennent à des domaines distincts et O3 est au dessus de Mn2+.
2.10. Au cours de cette oxydation des ions Mn2+ par l’ozone à pH égal à 7, il se forme un précipité de trihydroxyde de manganèse Mn(OH)3(s). Identifier les deux couples en présence, écrire leur demi-équation rédox et en déduire l’équation-bilan de cette
oxydation.
Mn(OH)3(s) / Mn2+aq : 2Mn2+aq + 6HO-aq =2 Mn(OH)3(s) +2e-.
O3 (g)/ O2 (g) : O3 (g) +H2O +2e- = O2 (g)+2HO-aq.
2Mn2+aq + O3 (g) +H2O + 4HO-aq=2 Mn(OH)3(s) +O2 (g).
2.11. La coloration brune de l’eau est due à la présence de dioxyde de manganèse MnO2(s).
2.11.1. Déterminer le nombre d’oxydation de l’élément manganèse dans le dioxyde de manganèse MnO2(s).
+ IV.
2.11.2. Écrire la demi équation qui traduit l’oxydation de Mn2+(aq) en MnO2(s).
Mn2+aq + 2H2O = MnO2(s) + 4H+aq + 2e-.
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3. Étude cinétique de la décomposition de l’ozone en solution aqueuse.
En solution aqueuse, l’ozone se décompose selon la réaction d’équation :
2 O3(aq) = 3 O2(aq)
Une étude cinétique, à température T égale à 20°C, a permis de tracer
expérimentalement les courbes de la concentration molaire en ozone
dissous [O3(aq)] en fonction du temps noté t pour une eau de
pH égal à 7. La courbe (a) traduit les résultats de l’expérience menée
en présence de charbon actif et la courbe (b) en l’absence de charbon
actif.
3.1. En analysant la courbe (a), comparer, sans faire de calcul, les vitesses de décomposition de l’ozone aux dates t1 et t2. On prend : t1 = 0 min ; t2 = 15 min.
La vitesse correspond à la pente de la tangente à la courbe à une date donnée.
La vitesse de décomposition de l'ozone à t =0 est supérieure à la vitesse de décomposition à t = 15 min.
3.2. Par définition le temps de demi-réaction, noté t1/2
(mesuré en minutes) correspond à la durée au bout de laquelle la
concentration en réactif restant est égale à la moitié de la
concentration initiale. Déterminer graphiquement sa valeur pour chacune
des conditions expérimentales pour les courbes (a) et (b) de
décomposition de l’ozone.
3.3. À l’aide des courbes et/ou des résultats obtenus précédemment, préciser le rôle du charbon actif. Proposer une explication.
Le
charbon actif accélère la réaction de décomposition de l'ozone.
L'interaction ozone adsorbé et charbon actif donne des radicaux
hydroxyle à fort pouvoir oxydant.
4. Désinfection de l’eau.
La désinfection de l’eau consiste à la purifier de toute présence de
bactéries jusqu'à ce qu'elle ne puisse plus causer de maladie
infectieuse chez les humains.
On utilise l’ozone pour désinfecter les eaux de consommation et les rendre potables.
Grâce à son pouvoir oxydant élevé, l'ozone oxyde les composants de la paroi des cellules bactériennes.
La membrane cellulaire est constituée de phospholipides qui sont des
molécules présentant une tête hydrophile (parties 1, 2 et 3) et deux
chaînes hydrocarbonées lipophiles (parties 4 et 5) dont l’une possède
une double liaison éthylénique.
On s’intéresse plus particulièrement à la double liaison éthylénique de
la partie 4 de la molécule. Aussi, on utilise la représentation
simplifiée du phospholipide suivant ou R est un groupement différent de
H.
4-1- Indiquer le
type d’isomérie à laquelle ce composé donne lieu. Préciser lequel des
isomères est représenté dans la formule de la figure 2.
Isomérie de type Z / E. L'isomère E est représenté.( les deux groupes les plus importants sont en position opposée )
4-2- L’ozonolyse
suivie d’une hydrolyse réductrice en présence de zinc (Zn) et en milieu
acide détruit la membrane cellulaire et conduit à la formation de deux
dérivés carbonylés.
4-2-1. Donner le nom de la famille à laquelle appartiennent les deux composés obtenus.
Aldehyde
4-2-2. Donner la formule semi-développée et le nom de l’unique produit identifiable.
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Mesure de la concentration en ozone.
L’étude porte uniquement sur le module amplificateur.
1. Dans ce montage, l’amplificateur opérationnel, supposé idéal, fonctionne en régime linéaire.
1.1. Rappeler la condition pour que l’amplificateur opérationnel soit considéré comme idéal.
Les intenités des courants d'entrée sont nulles ; i- = i+ = 0.
1.2. Donner la valeur de e lorsque l’amplificateur opérationnel fonctionne en régime linéaire.
e = 0 en régime linéaire.
2. On exprime la tension d’entrée, en volt, selon la relation :
Ue = C×10-3, avec C, la concentration massique en ozone mesurée en μg.m-3. On souhaite obtenir une tension de sortie Us égale à 1,8 V lorsque la concentration massique en ozone est égale à 90 μg.m-3.
Montrer que la valeur de l’amplification en tension dans ce cas est égale à 20.
Us / Ue = 1,8 / (90 10-3) = 20.
3. Écrire la loi des mailles (ou loi d’additivité des tensions) :
3.1. dans la maille MABE+M ;
Ue +R1i1=0
3.2. dans la maille ME+BSM.
Us +R2i2 +R1i1 = 0.
4. Écrire la loi des noeuds en B.
i1 = i2.
5. À l’aide des relations précédentes, montrer que la tension de sortie Us et la tension d’entrée Ue sont reliées par la relation suivante :
Us = Ue × (R1+R2) / R1.
Us +R2i1 +R1i1 = 0 ; i1 = -Us / (R1+R2) ;
Ue = R1Us / (R1+R2).
6. Calculer la valeur de la résistance R2. On donne : R1 = 4,7 kW.
R1+R2=R1Us / Ue = 4,7 x 20 =94 ; R2 = 89,3 kW. |
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