Autour des nanotubes de carbone (5 points) Spécialité

Bac S 2013 Nouvelle Calédonie Session de remplacement Mars 2014
EXERCICE III - AUTOUR DES NANOTUBES DE CARBONE (5 points)
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1. Questions préalables
> Expliquer la nécessité du traitement oxydant des nanotubes bruts. Quel
est toutefois l'impact de ce traitement sur les propriétés des
nanotubes ?
Les nanotubes bruts contiennent des résidus métalliques qui doivent être
éliminés grâce au traitement oxydant.
Comme le montrent les spectres IR du document 3, le traitement conduit à
l'apparition de groupes fonctionnels oxygénés à la surface des nanotubes.
Ces défauts modifient les propriétés mécaniques, électriques et thermiques
des nanotubes. > Expliquer la présence d'ions métalliques dans le filtrat obtenu suite
au traitement oxydant.
D'après le document 1, la synthèse des nanotubes de carbone nécessite
l'utilisation d'un catalyseur métallique.
D'après le document 2, les résidus métalliques de catalyseur sont oxydés
par l'acide nitrique en ions métalliques libres qui se retrouvent alors
dans le filtrat. 2. Quelle démarche pour quantifier des défauts oxygénés (analyse des
documents 4 et 5) ?
. Pourquoi le titrage direct des groupes carboxyle n'est pas possible ?
Les réactions faisant intervenir SWNT-COOH ou SWNT-COO- sont quasi-totales
mais ne sont pas rapides ; or la réaction support d'un titrage doit être
totale et rapide (Doc.4). . Principe du protocole permettant de mesurer uniquement la quantité de
matière des groupes carboxyle.
On effectue un titrage indirect en retour de SWNT-COOH
1ère étape :
On fait réagir les nanotubes avec un excès connu de base HCO3- sous
agitation longue.
SWNT-COOH(s) + (Na+(aq) + HCO3-(aq)) ( (SWNT-COO-,Na+)(s) + H2O(l) +
CO2(aq)
État initial : n1 (mol) n2 (mol)
État final : 0 n2 - n1 (mol) Justification :
La base HCO3- réagit avec SWNT-COOH mais pas avec SWNT-OH, elle constitue
un réactif spécifique aux groupes carboxyle.
Tandis que la base HO- réagit avec SWNT-OH et SWNT-COOH, donc il serait
impossible de connaître uniquement la quantité de matière de SWNT-COOH.
Pour que la totalité des groupes carboxyle ait réagi, il est nécessaire
d'agiter longuement (doc.5). 2ème étape :
On titre les ions HCO3- non consommés lors de l'étape 1, à l'aide d'une
solution d'acide chlorhydrique.
Cette réaction est rapide et totale donc adaptée à un titrage.
HCO3-(aq) + H3O+(aq) ( 2 H2O(l) + CO2(aq)
État initial (fictif) : n2 - n1 n3
On imagine que l'on a versé H3O+ dans les proportions st?chiométriques mais
que la réaction n'a pas encore débuté.
État final (équivalence) : 0 0
Afin d'obtenir la courbe représentative du pH en fonction du volume d'acide
versé, on mesure le pH du mélange après chaque ajout d'acide. Elle
permettra de déterminer le volume équivalent et d'en déduire la quantité de
matière n3 d'acide versé pour consommer la quantité de matière (n2 - n1) de
HCO3- non consommée lors de l'étape 1.
D'après l'équation du titrage : n2 - n1 = n3 donc n1 = n2 - n3.
n2 et n3 étant connues, on a déterminé la quantité de matière des groupes
carboxyle dans l'échantillon de nanotubes. Remarque : le raisonnement avec les quantités de matière n1, n2 et n3
n'était pas demandé, il est présenté ici pour faciliter la compréhension. |Compétences évaluées |Critère de réussite correspondant au niveau A |A |B |C |D |
|S'approprier |Le rôle de l'oxydation est bien décrit. | | | | |
|Extraire des |La présence d'ions métalliques dans le filtrat est expliquée. | | | | |
|informations | | | | | |
|Mobiliser ses | | | | | |
|connaissances | | | | | |
|Analyser |Choix de la base pour induire la sélectivité du dosage : | | | | |
|Organiser et exploiter |Les ions HO- réagissent avec les fonctions SWNT-COOH et SWNT-OH alors que les | | | | |
|ses connaissances ou les|ions HCO3- réagissent uniquement avec SWNT-COOH. | | | | |
|informations extraites |Pour doser sélectivement les groupes carboxyle, il convient de choisir les ions| | | | |
| |hydrogénocarbonate. | | | | |
| | | | | | |
|Construire les étapes | | | | | |
|d'une résolution d'un | | | | | |
|problème | | | | | |
| |Impossibilité du titrage direct : réaction lente entre SWNT-COOH et HCO3- | | | | |
| |Principe du protocole | | | | |
| | | | | | |
| |Équations des réactions argumentées | | | | |
|Communiquer |Syntaxe des réponses correcte-logique | | | | |
| |Bonne utilisation des connecteurs logiques (donc, car, or, etc.) | | | | |
| |Note (en point entier) |/5 |
Majorité de A et des B ( 5 points
Majorité de C et des D ( 1 point[pic]