Les
précipitations sont naturellement acides en raison du dioxyde de
carbone présent dans l'atmosphère. Par ailleurs, la combustion des
matières fossiles ( charbon, pétrole et gaz ) produit du dioxyde de
soufre et des oxydes d'azote qui s'associent à l'humidité de l'air pour
libérer de l'acide sulfurique et de l'acide nitrique. Ces acides sont
ensuite transportés loin de leur source avant d'être précipités par les
pluies, le brouillard et la neige sous forme de dépôts secs. Très
souvent, les pluies s'écoulant des toits sont recueillies par des
gouttières métalliques, constituées de zinc.
Données : M(Zn) = 65,4 g/mol ; loi des gaz parfaits : PV = nRT.
Couples acide / base : H3O+aq /H2O ; H2O / HO- aq: CO2, H2O / HCO3-aq.
Le zinc métal réagit en milieu acide selon la réaction d'équation : Zn(s) + 2H3O+aq = Zn2+aq + H2(g) + 2H2O.
Equation de la réaction.
Ecrire les deux demi-équations électroniques correspondant aux couples Zn2+aq /Zn(s) et H3O+aq / H2(g).
Oxydation du zinc : Zn(s) =Zn2+aq + 2e- ;
Réduction de H3O+aq : 2 H3O+aq + 2e- = H2(g) + 2H2O.
Il suffit d'ajouter ces deux demi équations et de simplifier pour retrouver l'équation de la réaction.
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Suivi cinétique de la transformation :
Pour étudier cette transformation considérée comme totale, on réalise l'expérience dont le schéma simplifié est représenté.
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A
l'instant de date t=0, on verse rapidement, sur 0,50 g de zinc en
poudre,75,0 mL de solution d'acide sulfurique de concentration en ion
oxonium C = 0,40 mol/L. La pression mesurée à cet instant
par le capteur P1 = 1020 hPa. La formation de
dihydrogène crée une surpression qui s'additionne à la pression de
l'air initialement présent.. Les valeurs de la pression, mesurée à
différentes dates permettent de tracer la courbe donnant l'évolution de
l'avancement x en fonction du temps.
On rappelle l'expression de la vitesse volumique de la réaction v =
1/Vdx/dt avec V volume de la solution supposé constant durant
l'expérience.
Comment peut-on déduire de la courbe x=f(t) la valeur de la vitesse volumique à une date t ?
[dxdt]t représente le coefficient directeur de la tangente à la courbe à la date t. Puis diviser par le volume V de la solution.
Calculer la valeur de la vitesse à t = 50 min.
v = 1/75 *0,075 =1,0 10-3 mmol mL-1 min-1 = 1,0 10-3mol L-1 min-1.
Décrire qualitativement l'évolution de la vitesse volumique au cours du temps.
Les tangentes à la courbes à différentes dates se rapprochent de
l'horizontal : leur coefficient directeur et en conséquence la vitesse
diminue au cours du temps.
Au bout d'un temps assez long, la vitesse devient nulle.
Facteurs cinétiques.
Influence de la concentration en ion oxonium.
On reprend le montage précédent et on réalise trois expériences.
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expérience 1
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expérience 2
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expérience 3
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température
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25 °C
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masse initiale de zinc
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0,50 g
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forme du zinc
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poudre
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volume de la solution d'acide sulfurique
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75 mL
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concentration initiale en ions oxonium
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0,50 mol/L
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0,25 mol/L
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0,40 mol/L
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Pour chacune des expériences, on a tracé les courbes suivantes :
Associer à chaque courbe le numéro de l'expérience. Justifier.
La
concentration d'un réactif est un facteur cinétique. Seule la
concentration en ion oxonium varie, tous les autres paramètres restent
constants.
On trace les tangentes aux courbes à la date t=0. La tangente ayant le
plus grand coefficient directeur correspond à la plus grande
concentration initiale en ion oxonium.
(1) : courbe a ; (2) courbe c ; (3) courbe b.
Influence de la forme du zinc ( division et état de surface).
On réalise trois nouvelles expériences.
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expérience 4
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expérience 5 |
expérience 6 |
température
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25°C |
masse initiale de zinc
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0,50 g
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forme du zinc
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poudre
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grenaille
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zinc recouvert d'une couche de carbonate de zinc
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volume solution acide
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75 mL
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concentration initiale
en ion oxonium
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0,50 mol/L
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Pour chacune des expériences, on a tracé les courbes suivantes :
Indiquer quelle est l'influence de la surface du zinc, en contact avec la solution sur la vitesse de la réaction.
L'état de surface du métal varie , tous les autres paramètres restent
constants.
On
trace les tangentes aux courbes à la date t=0. La tangente ayant le
plus grand coefficient directeur correspond à la plus grande vitesse de
réaction, à la plus grande surface métallique en contact avec l'acide.
Le
zinc en poudre présente une très grande surface en contact avec l'acide
; pour le zinc en grenaille la surface est un peu moins grande. Quand
au carbonate de zinc, il forme un film protecteur et protège le métal.
Pluies acides et gouttières.
Les précipitations annuelles non polluées ont un pH acide. leur acidité est due au dioxyde de carbone dissous.
L'équation de la réaction entre le dioxyde de carbone dissous et l'eau s'écrit :
CO2 + 2 H2O = HCO3-aq +H3O+aq
En France le pH moyen annuel des eaux de pluies est de l'ordre de 5.
Déterminer la valeur moyenne de la concentration en ions oxonium rencontrés dans les eaux de pluies.
[H3O+aq] = 10-pH ~ 10-5 mol/L.
Les trois facteurs cinétiques étudiés permettent-ils d'expliquer la longévité des gouttières en zinc dans les habitations ?
Réponse : oui.
Le zinc se recouvre au cours du temps d'un film protecteur de carbonate de zinc.
La concentration en ion oxonium des eaux de pluies non polluées est très faible.
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