Partie 1.
(4 points)
Ecrire
les formules du benzène, du 1,2-dichloroéthane, le pentachlorophénol,
le trichloroéthylène ou 1,1,2-trichloroéthène.
Ecrire la
formule semi-développée du 1,4-hydroxynonylbenzène ou paranonylphénol.
Donner la
représentation de Lewis du tétrachlorure de carbone puis le type de
géométrie spatiale de cette molécule selon la méthode VSEPR. En faire
la représentation.
Electrocoagulation,
traitement de l'eau polluée.(9 points )
Le coagulant est libéré dans l'effluent in situ, en utilisant la
dissolution d'une anode sacrificielle, le plus souvent en aluminium ou
en fer. Lors de l'alimentation des électrodes en courant, il y a
simultanément une dissolution du métal à l'anode et un dégagement de
dihydrogène au voisinage de la cathode.
La dissolution de l'anode conduit à la formation d'hydroxydes
métalliques entre autre. Ces composés sont généralement une meilleure
efficacité de coagulation que celle des produits chimiques utilisés
dans les techniques conventionnelles ( ajout de sulfate d'aluminium ou
de chlorure ferrique. Le dégagement de dihydrogène sous forme de bulles
contribue fortement à l'agitation du milieu et, dans certains cas,
favorise la flottation des solides formés ( absorbant-polluant ).
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Soit
la description simplifiée d'un module d'électrocoagulation : deux
électrodes, dont une anode en aluminium, sont reliées à une source de
courant continu et plongent dans le bac contenant un effluent aqueux à
traiter.
La nature de la cathode n'a pas besoin d'être précisée dans l'étude à suivre.
Le couple mis en jeu à l'anode est Al3+aq/ Al(s).
Donner pour chaque espèce le degré d'oxydation.
Le degré d'oxydation de l'aluminium est nul dans Al(s) et vaut + III dans l'ion Al3+aq.
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Ecrire la réaction à l'anode. S'agit-il d'une oxydation ou d'une réduction ?
Une oxydation se produit à l'anode positive : Al(s) = Al3+aq + 3e-.
A la cathode, l'eau est la source de dégagement de dihydrogène. Le couple redox mis en jeu est H2O(l) / H2(g).
Ecrire
la réaction à la cathode, en milieu acide, puis en milieu basique.
Réduction à la cathode négative : 2e- + 2 H+aq = H2(g) en milieu acide.
2H2O(l) +2e-= H2(g) +2HO-aq en milieu basique.
S'agit-il d'une oxydation ou d'une réduction ? Justifier.
H+aq ou H2O(l) gagnent des électrons ; ce sont des oxydant qui se réduisent ( réduction).
On veut calculer la tension à appliquer au module d'électrocoagulation dans le cas d'un milieu acide.
Donner les relations de Nernst pour les deux couples précédents.
E1 = E°( Al3+aq/ Al(s)) + 0,02 log [ Al3+aq].
E2 = E°( H+aq/ H2(g)) + 0,03 log( [ H+aq]2 / PH2).
Calculer le potentiel de chaque électrode à pH=3.
Potentiel standard à pH=0 : E°( Al3+aq/ Al(s))= -1,66 V ; E°( H+aq/ H2(g)) = 0,00 V ; PH2= 1 bar ; [ Al3+aq] = 1 mol/L.
E1 = -1,66 V ; E2 =0,00 + 0,03 log 10-6 = -0,18 V.
En déduire la tension minimale théorique à appliquer pour observer la dissolution de l'électrode d'aluminium à pH=3.
E1 - E2 =-0,18 +1,66 = 1,48 ~1,5 V.
Comment expliquer, qu'en pratique, il faut imposer une tension supérieure à celle calculée précédemment.
Certaines réactions sont lentes ; le dihydrogène peut s'adsorber sur la cathode.
Lors
du fonctionnement du module d'électrocoagulation, l'espèce aluminium
apparaît majoritairement en fonction du pH, soit sous forme d'ion Al3+aq, soit sous la forme d'hydroxyde d'aluminium Al(OH)3(s), soit sous forme de complexe tétrahydroxoaluminate (III) [Al(OH)4]-aq.
Ecrire l'équation de la réaction de précipitation de
Al(OH)3(s).
Al3+aq+ 3HO-aq =Al(OH)3(s)
Soit pH1, le pH de début de précipitation de Al(OH)3(s).
Le calculer pour une concentration en Al3+aq notée C1 = 1,00 mol/L.
On donne le produit de solubilité de Al(OH)3(s) : Ks1 = 10-33.
Ks1 = 10-33 =[Al3+aq][HO-aq]3 ; [HO-aq]3 =10-33 ; [HO-aq] = 10-11 mol/L ;
[H3O+aq] = 10-14 / [HO-aq]= 10-14 / 10-11 = 10-3 mol/L ; pH1 = 3,0.
Soient les réactions : Al(OH)3(s) +HO-aq = [Al(OH)4]-aq ; K2.
Al3+aq + 4 HO-aq = [Al(OH)4]-aq ; K3 = 1035 à 25°C.
Exprimer les constantes d'équilibre K2 et K3.
K2= [[Al(OH)4]-aq] / [HO-aq]. K3= [[Al(OH)4]-aq] / ([HO-aq]4[Al3+aq] ).
En déduire l'expression de K2 en fonction de K3 et Ks1. Calculer K2.
Ks1= ([HO-aq]3[Al3+aq] ).
K3= [[Al(OH)4]-aq] / ([HO-aq]4[Al3+aq] ) = [[Al(OH)4]-aq] /( [HO-aq]Ks1)= K2 /Ks1.
K2= K3 Ks1= 1035 10-33 =100.
Vérifier que le pH de redissolution totale de l'hydroxyde Al(OH)3 (s) est à 25°C : pH2 = 12.
K2= [[Al(OH)4]-aq] / [HO-aq] avec [[Al(OH)4]-aq] = 1,00 mol/L.
[HO-aq] = 1/K2 : 1 / 100 = 10-2 mol/L.
[H3O+aq] = 10-14 / [HO-aq]= 10-14 / 10-2 = 10-12 mol/L ; pH2 = 12.
Compléter
le diagramme ci-dessous en indiquant sous quelle(s) forme(s)
dissoute(s) se trouve l'espèce aluminium dans les 3 intervalles de pH.
Ceci
justifie que dans la pratiquede l'électrogoagulation, l'opération
s'effectue sur des effluents de pH 5 à 8. Dans ces conditions, la
solubilité de l'hydroxyde amphotère est faible et la présence de
complexes chargés négativement est minimisée. Rappelons que les charges
négatives stabilisent les colloïdes qui ne peuvent plus coaguler.
Partie 3.
(3 points)
L'alumine Al2O3(s) est une forme déshydratée de
l'hydroxyde d'aluminium. L'ion aluminate est une espèce soluble de
formule AlO2-aq.
D'après
le diagramme potentiel-pH, préciser pour les zones A, B, C et D, s'il
s'agit d'une zone de corrosion, passivation ou d'immunité.
Zone A : zone de
stabilité thermodynamique du métal Al, donc immunité thermodynamique.
Zone B :
l'élément aluminium est sous forme d'ion Al3+aq en solution
donc corrosion.
Zone C : l'élément
aluminium est sous forme d'oxyde Al2O3(s)
protecteur
du métal, donc passivation.
Zone D : l'élément
aluminium est sous forme d'ion AlO2-aq en solution donc
corrosion.
Un étudiant affirme
: " le dioxygène dissout réagit avec le métal aluminium quel que soit
la valeur du pH".
A-t-il
raison ou tord ?
Al et O2
appartiennent à des domaines disjoints quel que soit le pH. Le
dioxygène est capable d'oxyder le métal quel que soit le pH. L'étudiant
a raison.
L'eau réagit
avec le métal aluminium, quel que soit le pH.
Justifier
cette affirmation. Ecrire le bilan de cette réaction à pH=7.
Couples redox : Al2O3(s)
/Al(s) et H2O(l) / H2(g).
Al et H2O
appartiennent à des domaines disjoints quel que soit le pH. L'aluminium
est capable de réduire l'eau quel que soit le pH.
2 Al(s) +3H2O(l)= Al2O3(s)
+ 6e- + 6H+.
3 fois { 2H++2e- =
H2(g) }.
2 Al(s) +3H2O(l)= Al2O3(s)
+ 3H2(g).
Décrire
succinctement le phénomène de passivation.
En
présence de dioxygène de l'air le métal aluminium s'oxyde en
alumine : cette oxyde forme une couche protectrice. Le métal n'étant
plus en contact avec le dioxygène, l'oxydation s'arrête.
Au
niveau de l'anode de la cellule d'électrocoagulation, l'aluminium
réagit spontanément en présence de dioxygène et d'eau pour former une
couche d'oxyde d'alumine. On se demande alors comment dans la pratique
l'EC peut être efficace pour les pH intermédiaire ( 5 à 8 ).
Comment l'anode en
aluminium recouverte d'alumine peut-elle être dissoute en ion Al3+
aq ?
Lorsque la différence de potentiel appliquée entre les deux électrodes
est suffisamment importante, et grâce à la présence d'ion chlorure (
éventuellement rajoutés à l'effluent ), la corrosion a lieu par
piqûres. Les ions chlorures fragilisent les couches successives
d'alumine plus ou moins poreuses.
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Partie 4.
( 4 points ).
Un pilote d'électrocoagulation est constitué d'une cuve et de deux
électrodes reliées à un générateur de courant continu. Les électrodes
sont des plaques d'aluminium rectangulaires de surface active S de 175
cm2 et distantes de L = 2,0 cm. L'intensité de travail
I est de 5,0 A. Une pompe alimente le pilote en effluent d'une
inductrie textile, avec un débit D de 600 L h-1.
L'effluent traité présente une conductivité g de 2,4 mS cm-1.
On donne l'expression de la résistance de
l'effluent entre les électrodes R = L / (gS) en ohm.
Calculer la résistance de la solution entre les électrodes.
gS
= 2,4*175 = 420 mS cm = 0,42 S cm ; 1
/ (gS) =2,38 S-1 cm-1 ; L / (gS) =2,0 *2,38 =4,76 ~4,8 S-1 ou W.
Exprimer
et calculer la puissance dissipée par effet Joule lorsque le module
d'électrocoagulation fonctionne.
P = R I2
=4,76 *5,02 = 119 ~ 1,2
102 W.
Vérifier que
l'énergie dissipée par effet Joule en une heure est 4,3 105 J.
W = P t = 119*3600 = 4,3 105 J.
On réalise un bilan énergétique sur une heure de fonctionnement du
module.
Evaluer
la variation de température
DT au
cours du traitement de l'effluent.
On donne ceffluent =4185 J kg-1 K-1 ; reffluent =1000 kg m-3.
Masse d'effluent par heure : m =D
reffluent
=0,600*1000 = 600 kg h-1.
Energie reçue par l'effluent : m ceffluent
DT = 4,3 105
J.
DT =4,3
105 / (600*4185) =0,17 °C.
En
appliquant la loi de Faraday, évaluer la variation de la masse de
l'anode en aluminium Dm après une heure de
fonctionnement.
Quantité d'électricité : Q = I t = 5,0*3600 =1,8 104 C.
Quantité de matière d'électrons : ne- = 1,8
104 /96485 =0,1866 mol.
Al(s) = Al3+aq + 3e-.
Quantité
de matière d'aluminium n = ne-
/3 = 6,22 10-2 mol.
Dm = n M(Al) = 6,22
10-2*27 =1,68 ~1,7
g h-1. |
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