Aurélie jan 04

autour du fluor

d'après bac STL CLPI 2003

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autour du fluor septembre 03

Données à 25 °C

· Masses atomiques (g.mol-1) : Na = 23,0 F = 19,0

· Constante d'acidité : HF/F- : pKa = 3,2

· Produit ionique de l'eau : pKe = 14,0

· Le fluor (Z=9) possède un seul isotope naturel de nombre de masse 19

  1. L'atome de fluor.
    - Indiquer la structure du noyau du nucléide.
    - Donner la structure électronique de l'atome de fluor.
    - En déduire sa place (période et colonne) dans la classification périodique des éléments à 18 colonnes. Préciser la famille à laquelle appartient cet élément.
  2. Le fluorure d'hydrogène et le fluorure de sodium.
    - Le fluorure d'hydrogène gazeux se dissout dans l'eau en toutes proportions. A 25 °C, on considère une solution (A) d'acide fluorhydrique à 0,1 mol/L.
    - Ecrire l'équation bilan de la réaction de l'eau avec le fluorure d'hydrogène.
    - Calculer le pH de la solution (A). Justifier les approximations faites.
    - On prépare une solution (B) en dissolvant 2,1 g de fluorure de sodium dans 250 mL d'eau. Calculer la concentration molaire de cette solution.
    - On mélange 150 mL de la solution (A) avec 100 mL de la solution (B). Comment appelle-t-on la solution (C) obtenue ? Quelles sont ses propriétés ? Calculer le pH de la solution (C).
OXYDO-REDUCTION ET COMPLEXATION

Données à 25 °C

· Produit ionique de l'eau : pKe = 14,0

· Sel de Mohr : FeSO4,(NH4)2SO4, 6 H2O Alun ferrique : Fe2(SO4)3,K2SO4, 4 H2O

· Potentiel standard : E°(Fe3+/Fe2+) = 0,77 V

· RT/F ln x = 0,06 lg x, en V

On se propose de déterminer la constante de dissociation (Kd) du complexe [FeF]2+. Pour cela on réalise les deux demi-piles suivantes :

Demi-pile n°1 : une lame de platine plongeant dans une solution aqueuse contenant des ions Fe3+ et Fe2+ à la même concentration, 1,0 10-2 mol.L-1 pour chacune de ces espèces.

Demi-pile n°2 : une lame de platine plongeant dans 100 mL de solution aqueuse contenant 1,0 10-3 mol de sel de Mohr et 5 10-4 mol d'alun ferrique à laquelle on ajoute 1,0 10-2 mol d'ions fluorure, sans variation de volume.

On suppose que seul l'ion complexe [FeF] 2+ est formé.

  1. Faire un schéma annoté de la pile constituée par les deux demi-piles. Le pôle positif correspond à l'électrode n° 1.
  2. Etude de la demi-pile n°1
    - Donner l'expression littérale du potentiel E1 de la demi-pile n°1. Calculer E1.
  3. Etude de la demi-pile n°2
    - Calculer les concentrations molaires en Fe2+ et Fe3+ avant l'introduction des ions F-.
    - Préciser le nom du complexe [FeF]2+.
    - La force électromotrice de la pile ainsi constituée est 0,25 V. Calculer le potentiel E2 de la demi-pile n°2. En déduire la concentration molaire en ions Fe3+ non complexés de la solution de la demi-pile n°2. Donner l'expression littérale de la constante de dissociation Kd du complexe [FeF]2+. Calculer Kd. 

     

corrigé
La structure du noyau de fluor : Z=9 donc 9 protons positifs

A= 19 donc 19-9=10 neutrons.

structure électronique de l'atome : 2 électrons sur le niveau n=1 et 7 électrons sur le niveau n=2 (K2L7)

donc seconde période et 17 ème colonne : le fluor appartient à la famille des halogènes.

HF+H2O = F-+H3O+.

Ka = 10-3,2 = 6,3 10-4 = [F-][H3O+] /[HF]

solution électriquement neutre ( HO- négligeable en milieu acide) : [F-]=[H3O+]

conservation de l'élément fluor : [HF]+[F-] = 0,1 mol/L

acide fluorhydrique peu dissocié donc [F-] négligeable devant [HF] : [HF] voisin 0,1 mol/L

6,3 10-4 =[H3O+]2 /0,1 ; [H3O+]2 = 6,3 10-5 ; [H3O+] = 7,93 10-3 mol/L

l'approximation "[F-] négligeable devant [HF] " est justifiée.

pH= - log(7,93 10-3 )=2,1.

solution B :

Qté de matière NaF : 2,1 / (23+19)= 0,05 mol

[Na+]=[F-]=Qté matière (mol) / volume solution (L) =0,05/0,25 = 0,2 mol/L.

solution C :

Qté de matière : HF : 0,15*0,1 = 0,015 mol dans 0,25 L ; [HF]=0,015/0,25=0,06 mol/L

F- : 0,1*0,2 = 0,02 mol dans 0,25 L ; [F-] = 0,02/0,25 = 0,08 mol/L

la solution C contient le couple acide base HF / F- tel que [HF] voisine de [F-].

C est une solution tampon dont le pH varie peu lors de l'ajout modéré d'acide ou de base ; dont le pH ne varie pas par dilution.

calcul du pH de la solution C : pH=pKa (HF/F-) + log ([F-] /[HF])

pH=3,2 + log(0,08 / 0,06)=3,32.

oxydo-réduction et complexation

E1 = E°(Fe3+/Fe2+) + 0,06 log ([Fe3+]/[Fe2+])

or [Fe3+]=[Fe2+] donc E1 = E°(Fe3+/Fe2+) =0,77 V.

[Fe2+] = Qté de matière (mol) / volume solution (L) =10-3 / 0,1 = 0,01 mol/L

l'alun ferrique conduit à : Fe2(SO4)3= 2 Fe3++ 3 SO42-.

[Fe3+] =2* 5 10-4 /0,1 = 0,01 mol/L

[FeF]2+ :anion fluoroferrate (III)

E= E1-E2 = 0,25 V soit E2 =0,77-0.25 = 0,52 V.

E2 = E°(Fe3+/Fe2+) + 0,06 log ([Fe3+]/[Fe2+]) avec [Fe2+] =0,01 mol/L

0,52=0,77+0,06 log ([Fe3+]/0,01) ; log ([Fe3+]/0,01) = -0,25/0,06 = -4,16

([Fe3+]/0,01 = 10-4,16 =6,9 10-5 ; [Fe3+] = 6,9 10-7 mol/L.

[FeF]2+ = Fe3+ + F- constante associée Kd= [Fe3+] [F-]/ [[FeF]2+]

conservation de l'élément fer (III) : [Fe3+] + [[FeF]2+] = 0,01 mol/L

donne :[FeF]2+] = 0,01 -6,9 10-7 = 0,01 mol/L

conservation de l'élément fluor : [F-]+[[FeF]2+] = 0,01/0,1 = 0,1 mol/L

donne [F-] = 0,1 -[[FeF]2+] = 0,1 -0,01 = 0,09 mol/L

Kd= [Fe3+] [F-]/ [[FeF]2+]= 6,9 10-7 *0,09 /0,01 = 6,21 10-6.

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