Exercice 3 C'est nickel

C'EST NICKEL ! (4 points) BAC S 2012 Métropole http://labolycee.org | |[pic] |
| |Applique finition |
|Le nickel est un métal gris argenté qui possède une|nickel brillant |
|très bonne résistance à la corrosion. La majorité | |
|des utilisations du nickel découle de cette | |
|propriété. On peut ainsi fabriquer des alliages | |
|métalliques ayant une faible sensibilité à la | |
|corrosion ou recouvrir d'une couche protectrice | |
|d'autres métaux ou alliages sensibles à l'oxydation| |
|comme le fer ou le laiton. | |
| | | La première partie de cet exercice traite de l'électrolyse d'une solution
pour recouvrir une pièce métallique d'une couche de nickel. Dans la seconde
partie, on contrôle par dosage la concentration des ions nickel Ni2+ dans
la solution électrolytique. Données :
> masse molaire du nickel : M(Ni) = 59 g.mol-1;
> charge électrique élémentaire : e = 1,6 × 10-19 C ;
> constante d'Avogadro : NA = 6,0 × 1023 mol-1.
1 Électrolyse d'une solution contenant des ions nickel Ni2+ Pour réaliser le nickelage électrolytique d'un objet métallique, la
solution à utiliser est choisie en fonction du résultat souhaité (aspect
plus ou moins brillant, ...) mais elle contient toujours des ions nickel de
concentration habituellement de l'ordre de 1 mol.L-1 ; il est préférable de
maintenir cette concentration à peu près constante.
1 Généralités En pratique, la pièce à nickeler, immergée dans le bain d'électrolyse, est
reliée au pôle négatif d'un générateur, alors que le pôle positif est relié
à une électrode constituée de nickel pur comme le montre le schéma de la
figure 12 ci-dessous.
[pic]
Figure 12. Schéma de l'électrolyse
1 Pourquoi la pièce à recouvrir est-elle reliée au pôle négatif du
générateur ? Justifier en écrivant la réaction qui a lieu sur cette pièce. 2 Constitue-t-elle l'anode ou la cathode ? Justifier.
3 Pourquoi l'électrode reliée au pôle positif du générateur est-elle en
nickel ? 2 Durée de l'électrolyse
1 La masse de nickel à déposer sur la pièce est m = 1,0 g. Déterminer la
quantité de matière de nickel n(Ni) correspondante puis en déduire la
quantité de matière d'électrons n(e-) qui doivent circuler pour
permettre ce dépôt.
2 Déterminer la quantité d'électricité Q nécessaire pour cette électrolyse,
c'est-à-dire la charge électrique qui doit circuler dans le circuit.
3 L'intensité du courant utilisé est I = 6,0 A. Calculer la durée ?t
nécessaire à l'électrolyse (en supposant que son rendement est de
100%). 2 Titrage des ions nickel dans la solution d'électrolyse Afin de contrôler le bain d'électrolyse utilisé et de maintenir la qualité
du dépôt protecteur de nickel, un dosage des ions nickel peut être réalisé.
Il permet d'obtenir la concentration de la solution en ions nickel et de
vérifier qu'elle se situe bien à la valeur souhaitée. Présentation du titrage
Les ions éthylènediaminetétracétate (EDTA) réagissent avec de nombreux
cations métalliques pour former des ions complexes dans lesquels le cation
métallique se retrouve "entouré" par l'EDTA.
Par souci de simplification, on note Y4 -(aq) les ions EDTA.
On travaille en présence de solution tampon qui stabilise le pH à une
valeur adaptée. Les équilibres acido-basiques de l'EDTA ne seront pas pris
en compte.
On peut réaliser un titrage direct ou indirect selon le cation dosé et les
indicateurs colorés disponibles au laboratoire. Protocole du titrage des ions nickel dans le bain d'électrolyse :
- première étape :
on dilue vingt fois un prélèvement S1 de la solution d'électrolyse de
concentration [Ni2+]1 pour obtenir une solution S2 de concentration
[Ni2+]2 ;
- deuxième étape :
on prélève un volume V2 = 10,0 mL de solution S2 que l'on introduit
dans un erlenmeyer avec une solution d'EDTA telle que la quantité de
matière d'EDTA introduite soit n0(Y4 - ) = 8,6 ( 10 -4 mol ;
l'équation de la réaction de la transformation qui a alors lieu
s'écrit :
Ni2+(aq) + Y4 -(aq) = NiY2 -(aq) équation de la réaction (1)
Cette transformation sera considérée comme totale.
- troisième étape :
on ajoute une petite quantité d'indicateur coloré NET et un volume
suffisant de solution tampon adaptée ;
- quatrième étape :
on réalise alors le titrage de l'EDTA en excès dans l'erlenmeyer par
une solution étalon d'ions zinc de concentration [Zn2+] = 6,45 × 10-
2 mol.L-1 ; la transformation ayant lieu est modélisée par la réaction
d'équation :
Zn2+(aq) + Y4 -(aq) = ZnY2 -(aq) ; équation de la réaction (2)
Cette transformation sera également considérée comme totale.
Le volume de la solution étalon à ajouter pour atteindre l'équivalence
est VE = 6,1 mL.
1 Le titrage est-il direct ou indirect ? Justifier.
2 Parmi les ions Zn2+, Y4 - et Ni2+, - quels sont les ions présents dans l'erlenmeyer avant l'équivalence ?
- quels sont les ions présents dans l'erlenmeyer après l'équivalence ? 3 À partir des données ci-dessous, en déduire alors la couleur de la
solution avant et après l'équivalence.
Données :
couleurs de l'indicateur coloré NET dans les conditions du dosage de
la partie 2 :
> en présence d'ions zinc Zn2+ ou nickel Ni2+ libres (c'est-à-dire
non-complexés) : rose ;
> en l'absence de ces ions : bleu. 4 Déterminer, à l'aide de l'équation de la réaction 2, la quantité
de matière nrest(Y4 - ) d'ions Y4 - restant dans l'erlenmeyer à l'issue
de la deuxième étape du protocole.
5 Écrire une relation entre n0(Y4 - ), nrest(Y4 - ) et la quantité d'ions
ayant réagi nréagi(Y4 - ).
6 A l'aide de l'équation de la réaction (1), en déduire la quantité de
matière d'ions nickel n(Ni2+) ayant réagi avec les ions Y4 -. Calculer la concentration [Ni2+]2 de la solution diluée S2. 7 Vérifier que la concentration [Ni2+]1 de la solution d'électrolyse vaut
environ 9,4 ( 10-1 mol.L-1. En s'aidant des informations données à la question 1, déduire que la
solution S1 peut être utilisée pour réaliser l'électrolyse.