Dissolution de la silice dans l'eau ; polymères : concours général 2006

Les fibres optiques déposées au fond des océans doivent être protégées par une gaine plastique car la silice se dissout lentement dans l'eau. La solubilité de la silice pure amorphe est caractérisée par la réaction chimique suivante : SiO2(s) + 2H2O = H4SiO4 (aq) ; constante d'équilibre associée K = 10-2,7. Concentration de la silice dissoute à 25 °C. K = [H4SiO4 (aq) ]éq = 10-2,7 = 2 10-3 mol/L. Masse maximale de silice pure amorphe que l'on peut dissoudre dans 1 L d'eau à 25 °C. Masse molaire de la silice SiO2(s) : 28,1+2*16 = 60,1 g/mol Quantité de matière (mol) dans 1 L : 2 10-3 mol masse m(g) = n(mol) * M (g/mol) = 2 10-3 *60,1 = 0,12 g. La solubilité de la silice dépend du pH du fait du caractère acide de H4SiO4 (aq) ; on suppose que le seul couple acide base mis en eu est : H4SiO4 (aq) / H3SiO4- (aq). La solubilité s de la silice est définie comme la quantité de matière maximale que l'on peut dissoudre par litre d'eau ( on dit alors que la solution est saturée en silice). s = [H4SiO4 (aq)] +[H3SiO4- (aq)] La figure suivante représente l'évolution du logarithme décimal des deux concentrations [H4SiO4 (aq)]sat, [H3SiO4- (aq)]sat et de la solubilité s, exprimées en mol/L, en fonction du pH à 25°C. On remarque que log(s) croît avec le pH ; or le logarithme est une fonction croissante : la solubilité de la silice augmente avec le pH. En milieu acide la solubilité est indépendante du pH. Definition et détermination graphique du pKa du couple H4SiO4 (aq) / H3SiO4- (aq). H4SiO4 (aq) + H2O = H3SiO4- (aq) + H3O+(aq) Constante d'acidité Ka = [H3SiO4- (aq)][H3O+(aq)] / [H4SiO4 (aq)] ; pKa = - log Ka. Lorsque [H3SiO4- (aq)] = [H4SiO4 (aq)] alors pH = pKa. On lit le pH correspondant à l'intersection des deux droites rouges : pKa = 9,5. On désire dissoudre entiérement 0,38 g de silice solide dans 1 L d'eau à 25°C. Déterminer graphiquement à partir de quel pH cela est possible.  s = m/M =0,38 / 60,1 = 6,3 10-3 mol/L ; log s = -2,2. Le coeur et la gaine optique en silice doivent être protégés des attaques extérieures ( eau, griffure, cassage...). On procède à un enrobage par un polymère de type acrylique. Définition d'un polymère : macromolécule résultant de l'association par liaison covalente d'un grand nombre de molécules identiques ( monomère). Les polymères acryliques dérivent de l'acide acrylique et de l'acide méthacrylique, noté A. La réaction de A avec le méthanol donne le monomère, noté B, du polyméthacrylate de méthyle ( PMMA). Quels groupes caractéristiques distingue t-o dans le composé A ? groupe acide carboxylique COOH et fonction alcène ( double liaison entre deux atomes de carbone)   Ecrire la formule semi-développée de B ainsi que l'équation de sa formation. Comment nomme t-on une telle réaction ? Réaction d'estérification entre le groupe acide carboxylique et le groupe alcool. Ecrire le motif du PMMA.

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