Aurélie 25/03/06

 

pH et précipitation : hydroxydes de fer II et III.

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 pH et précipitation

Produits de solubilité : Ks (Fe(OH)2) = 4,9 × 10-17 ; Ks (Fe(OH)3) = 2,8 × 10-39 ; Produit ionique de l’eau : Ke = 1,0 × 10-14 à 25°C ; Constante d’acidité de l’acide éthanoïque : Ka (CH3COOH/CH3COO-) = 1,7 × 10-5.

  1. L’atome de fer a pour numéro atomique Z = 26. Donner sa configuration électronique. Préciser à quel bloc d’éléments de la classification périodique appartient l’élément fer. Comment appelle-t-on les éléments appartenant à ce bloc ?
    - En déduire la position de l’élément fer dans la classification périodique.
  2. A un litre d’une solution S contenant 0,100 mol de sulfate de fer (II) et 0,020 mol de chlorure de fer (III), on ajoute, sans variation de volume, une solution concentrée d’hydroxyde de sodium (soude). Calculer la valeur du pH pour lequel le précipité d’hydroxyde de fer (III) commence juste à apparaître.
    - Calculer la valeur du pH pour lequel le précipité d’hydroxyde de fer (II) commence juste à apparaître.
    - En déduire la nature du précipité qui apparaît en premier lorsqu’on ajoute la soude.
    - Donner alors l’intervalle de pH dans lequel on doit maintenir la solution pour qu’un seul précipité soit présent.
    - Pour rester dans ce domaine de précipitation, on veut réaliser une solution tampon. Calculer le volume V d’une solution d’éthanoate de sodium à 1,00 mol.L-1 à verser dans un volume V0 égal à 500 mL de solution d’acide éthanoïque à 0,500 mol.L-1 pour obtenir une solution tampon de pH = 4,5.

corrigé

configuration électronique du fer : 26 électrons répartis suivant

2 électrons au niveau n=1; 8 électrons au niveau n=2 ; 14 électrons au niveau n=3 ; 2 électrons au niveau n=4 soit 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2.

Le fer appartient à la première série des métaux de transition : colonne n°8 de la classification ; ligne ( période) n°3

hydroxyde de fer II : Fe(OH)2 en équilibre avec Fe2+ + 2HO-

Ks =[Fe2+] [HO-]2 avec [Fe2+] =0,100 mol/L et Ks (Fe(OH)2) = 4,9 × 10-17

d'où [HO-]2 = Ks /[Fe2+] = 4,9 × 10-16 ; [HO-] = 2,2 10-8 mol/L ; [H3O+]= 10-14 / 2,2 10-8 = 4,51 10-7 soit pH= -log (4,51 10-7 ) = 6,34.

hydroxyde de fer III : Fe(OH)3 en équilibre avec Fe3+ + 3HO-

Ks =[Fe3+] [HO-]3 avec [Fe3+] =0,020 mol/L et Ks (Fe(OH)3) = 2,8 × 10-39

d'où [HO-]3 = Ks /[Fe3+] =2,8 × 10-39 /0,02 =1,4 10-37 ; [HO-] = 5,19 10-13 mol/L

[H3O+]= 10-14 / 5,19 10-13 = 1,92 10-2 soit pH= -log (1,92 10-2 ) = 1,71.

Le précipité Fe(OH)3 apparaît en premier dès pH= 1,71 tandis que Fe(OH)2 commence à apparaître dès que le pH atteint la valeur 6,34.

Dans l’intervalle de pH [1,71 ; 6,34 ] un seul précipité est présent.

volume V d’une solution d’éthanoate de sodium à 1,00 mol.L-1 à verser dans un volume V0 égal à 500 mL de solution d’acide éthanoïque à 0,500 mol.L-1 pour obtenir une solution tampon de pH = 4,5.

pH=pKa + log ([CH3COO-]/[CH3COOH]) avec pKa = -log 1,7 × 10-5 = 4,77 et pH= 4,5

d'où log ([CH3COO-]/[CH3COOH]) =4,5-4,77 = -0,27 ; [CH3COO-]/[CH3COOH] = 0,537.

Quantité de matière d'acide : n0= 0,5*0,5 = 0,25 mol ; concentration finale de l'acide dans la solution [CH3COOH]f=0,25/(0,5+V)

Quantité de matière d'éthanoate de sodium : n= V mol ; concentration finale de l'éthanoate de sodium dans la solution [CH3COO-]f=V/(0,5+V)

d'où V/0,25 = 0,537 soit V= 0,134 L.

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