Données numériques - Académie de Limoges

Olympiades de Chimie - Académie de Limoges - Janvier 2012
Lycée Gay Lussac
Sujet conçu par S.CALLEA, O.DOUTEAU, B.GRAVELAT THEME : CHIMIE ET EAU Travaux pratiques
Correction (professeur)
Traitement des effluents industriels contenant des ions cuivre II De nombreuses entreprises utilisent des techniques de traitement de surface
qui font appel à la
métallisation (automobile, outillage, circuit imprimé ...). Les eaux de rinçage appelées effluents contiennent souvent des ions cuivre
II. Pour respecter la législation qui limite la totalité des rejets en ions
cuivre II dissous à 50 kg/an, les entreprises doivent procéder à un
traitement de leur eau de rinçage. Le but de ce TP est de comparer deux techniques de traitements des eaux de
rinçage :
. L' électrodéposition qui consiste à transformer les ions cuivre II en
cuivre métallique.
. La précipitation des ions Cu2+ en hydroxyde de cuivre (II),
Cu(OH)2(s) Ce sujet comporte trois parties: * La première partie consiste en un dosage spectrophotométrique des ions
Cu2+ des eaux de rinçage d'une entreprise. La concentration massique en
ions Cu2+ de l'effluent noté Eff est évaluée à (eff ( 8 g.L-1. * Dans la seconde partie, l'électrodéposition est expliquée. Au niveau du
bureau, celle-ci est réalisée par le professeur. On dosera une solution
notée S30min en ions cuivre Cu2+ issue de trente minutes d'électrolyse * Dans la troisième partie, on réalisera une précipitation des ions Cu2+ en
présence d'ions hydroxyde. Données numériques : Cu : M = 63,5 g.mol-1 ;
I. Dosage des ions Cu2+ d'un effluent industriel par spectrophotométrie
d'absorption
1. Expérience :
On dispose d'une solution étalon SE de concentration CE de sulfate de
cuivre (II) de concentration CE = 5,00.10-1 mol.L-1. . Préparation des solutions la gamme étalon :
V Dans une fiole jaugée de 50,0 mL, introduire à l'aide d'une burette le
volume VE de solution (CE), puis ajuster avec de l'eau distillée.
Préparer les trois solutions S1, S2, S3 d'après le tableau ci-dessous.
V Attention, vous ne disposez que d'une fiole. La solution une fois
préparée devra être versée dans un bécher de 100 mL annoté.
|N° solution |S1 |S2 |S3 |
|VE (mL) |2,0 |5,0 |10,0 |
. Préparation des solutions à doser Sx :
La solution Sx est préparée à partir de l'effluent par une dilution au 1/2.
Préparer 50,0 mL de solution Sx. . Mesure des abosrbances des solutions :
Chaque spectrophotomètre est réglé à la longueur d'onde de 700 nm.
V Mesurer l'absorbance des solutions S1, S2, S3 et de la solution de
l'effluent en faisant le zéro avec de l'eau distillée et reporter ces
valeurs dans le tableau ci-dessous.
V Vous ne disposez que d'une cuve. Bien rincer la cuve avec la solution
dont on souhaite mesurer l'absorbance.
|N° solution |S1 |S2 |S3 |Sx |
|Absorbance A |0.151 |0.341 |0.629 |0.450 |
2. Interprétation :
. Donner l'expression de la loi de Beer-Lambert en définissant chaque
grandeur et en donnant son unité.
|[pic] |1 point |
| |0,5 point si A = kC |
| |0 sinon |
|A : absorbance |0,25 sinon 0 |
|( : coefficient d'extinction |0,25 sinon 0 |
|molaire ou d'abosrption molaire | |
|l : longueur de la cuve |0,25 sinon 0 |
|C : concentration molaire |0,25 sinon 0 |
|Unités : |1 point |
|A : sans unité |-0,25 par erreur |
|( : mol-1.L.cm-1 | |
|l : cm | |
|C : mol.L-1 | |
. Pourquoi fait-on le blanc avec de l'eau distillée ?
|On fait le blanc avec de l'eau distillée pour retirer toute|1 point |
|l'absorption éventuelle de l'eau, de la cuve et de toutes | |
|les espèces qui ne sont pas colorées et ainsi mesurer | |
|uniquement l'absorption des ions cuivre Cu2+. | |
. Calculer les concentrations molaires en ions cuivre(II) des solutions S1,
S2, S3 et les remplir dans le tableau ci-dessous :
|N° solution |S1 |S2 |S3 |Sx |
|VE (mL) |2,0 |5,0 |10,0 | |
|C (mol.L-1) |2,00.10-2|5,00.10-2|1,00.10-1 | |
|Absorbance A |0.140 |0.330 |0.635 |0.450 |
. Tracer la courbe d'étalonnage et déterminer la valeur de la concentration
molaire CX en ions cuivre (II) de la solution Sx.
[pic]
. En déduire la concentration molaire CSX de la solution SX en expliquant
la démarche.
|On reporte la mesure de l'absorbance de la |1 point |
|solution SX sur la courbe d'étalonnage. | |
|L'abscisse nous donne la concentration molaire de| |
|la solution SX | |
|( CSX = 7,00.10-2 mol.L-1 |1 point | . En déduire la concentration molaire Ceff en ions Cu2+ de l'effluent puis
déterminer la concentration massique (eff. Données numériques : M(Cu) = 63,5 g.mol-1 ;
|La solution SX est une dilution au ½ de |0,5 point |
|l'effluent | |
|Ceff = 1,40.10-1 mol.L-1 |1 point |
|(eff = MCu.Ceff |1 point |
|(eff = 8,89 g.L-1 |0,5 point | II. Principe de l'électrodéposition :
1. Principe :
Il s'agit de réaliser une électrolyse de la solution de sulfate de cuivre.
Le montage est le suivant et utilise un générateur de courant continu : L'équation chimique globale est : 2 Cu2+(aq) + 2 H2O(l) = 2 Cu(s). +
O2(g) + 4 H+(aq) 1. Observer le montage d'électrolyse sur le bureau. Sur quelle électrode de
carbone le cuivre se dépose-t-il (celle reliée à la borne + ou - du
générateur) ? En déduire sur quelle électrode le dioxygène se forme ?
|On observe un dépôt rouge de cuivre sur l'électrode de |1 point |
|carbone reliée à la borne - (appelée cathode) | |
|Le dioxygène se forme donc sur l'électrode de carbone |1 point |
|reliée à la borne + (appelée anode) | | 2. Résultat du traitement par électrodéposition :
. Après 30 min d'électrolyse, la méthode d'électrodéposition permet de
diminuer la concentration massique initiale en ion cuivre II de (eff ( 8
g.L-1 à une concentration massique finale (notée (30min).
. L'électrolyse devrait se poursuivre pour encore éliminer des ions Cu2+.
Vous doserez la solution S30min obtenue après 30 minutes d'électrolyse. 2.a. Manipulation :
V On fera deux dosages (un rapide et un précis). 1ère étape : réaction entre les ions Cu2+ et les ions iodure I- :
Introduire dans deux erlenmeyers de 100 mL :
V Un volume V1 = 10,0 mL de la solution S30min ;
V Environ 5 mL d'acide sulfurique à 1 mol.L-1 ;
V Prélever environ 25 mL d'eau distillée ;
V Placer environ la moitié d'eau dans le flacon contenant 400 mg d'iodure
de potassium, puis les verser dans l'erlenmeyer ;
V Rincer de nouveau le flacon avec le reste d'eau et placer cette eau dans
l'erlenmeyer ;
V Laisser reposer 15 min en agitant régulièrement. 2ème étape : Titrage du diiode formé in situ par une solution de
thiosulfate de sodium :
V Verser dans les erlenmeyers 7 gouttes d'empois d'amidon ;
V Titrer à l'aide d'une solution de thiosulfate de sodium de concentration
c(S2O32-) = 7,25.10-3 mol.L-1
V Dès que la décoloration persiste une minute, arrêter le dosage.
V Le volume équivalent sera noté VE. Noter la valeur obtenue dans la
partie écrite.
VE = 11,2 mL
2.b. Interprétation :
Lors de la 1ère étape, la réaction est : Cu2+(aq) + 2I-(aq) = CuI(s) +
½I2(aq)
. Pourquoi l'iodure de potassium est placé en large excès ?
|On veut s'assurer que tous les ions Cu2+ réagissent. |1 point |
|Le diiode I2(s) n'est pas très soluble en phase aqueuse, on|1 point |
|permet sa dissolution en ajoutant des ions iodure qui | |
|permettent la formation d'un ion très soluble I3-. | | . Ecrire l'équation chimique de la réaction servant de support au dosage
(étape 2).
Les couples mis en jeu sont : I2(aq)/ I-(aq) et S4O62-(aq)/S2O32-(aq)
|I2(aq) + 2S2O32-(aq) = 2I-(aq) + S4O62-(aq) |2 point | . Trouver une relation entre la quantité de matière nCu d'ions Cu2+
consommée lors de l'étape 1 en fonction de la quantité de matière nI2 de
diiode formé.
|D'après l'équation 1, [pic][pic] |2 points | . De même, exprimer la quantité de matière nI2 de diiode dosé en fonction
de la quantité de matière nthio de thiosulfate de sodium versé à
l'équivalence.
|D'après l'équation de l'étape 2, [pic] (ii) |2 points |
. En déduire une expression littérale de la concentration molaire C30min en
ions Cu2+ de la solution S30min, en fonction de la concentration Cthio et
des volumes V1 et VE.
|(i) ( [pic] |3 points |
|(ii) ( [pic] |