Plan. TP 12 Solutions électrolytiques. Diagramme E (ph).

Transcription

1 TP 12 Solutions électrolytiques. Diagramme E (ph). Plan 1. Diagrammes potentiel ph a. Tracé du diagramme du fer b. Rôle du ph dans les réactions redox c. Application à l hydrométallurgie du zinc 2. Solutions électrolytiques a. Mise en évidence de la conduction ionique b. Influence de divers paramètres sur la conductivité c. Mesures de solubilité par conductimétrie 1. Diagramme Potentiel ph a) Tracé du diagramme : («Des expériences de la famille redox», Ed. De Boeck, Cachau Herraillat) Mode Opératoire : Influence du ph sur le potentiel d électrode du couple Fer(II)/Fer(III) 1

2 Explications et Résultats 2

3 3

4 b) Rôle du ph dans les réactions rédox : («Des expériences de la famille redox», Ed. De Boeck, Cachau Herraillat) Mode opératoire Interprétation Données : de l élément iode Diagramme E=f(pH) 4

5 c) Application à l hydrométallurgie du zinc : (BUP 770 «Une vie de zinc», PUF Chimie PC/PC* 2eme année, HPrépa PC 2 nd année) Cette expérience permet de mettre en évidence l intérêt des diagramme E=f(pH) dans l industrie. Nous allons réaliser deux étapes de lixiviation de minerai (encadrées sur le schéma suivant) qui nécessitent l utilisation des diagrammes potentiel ph pour l interprétation. c.1 ) Principe de l hydrométallurgie du zinc 5

6 Données : E=f(pH) du fer (noir), cuivre(rouge), zinc (gras) présents dans la calcine (PUF Chimie PC/PC*) 6

7 c.2) Etape de Lixiviation Acide Principe (PUF Chimie PC/PC* 2 ème année) Mode opératoire (BUP 770) 7

8 c.3) Etape d élimination des ions fer (III) : lixiviation «neutre» Principe (PUF Chimie PC/PC*2 ème année) 8

9 Mode opératoire (BUP 770) 2. Solutions électrolytiques a. Mise en évidence de la conduction ionique Exp. 2.0 Migration des ions On réalise le montage ci dessous : dans une boite de Pétri, on verse une solution d agar agar additionnée de nitrate de potassium qu on laisse gélifier. Les électrodes sont insérées dans une matrice poreuse (éponge) imbibée de solution de nitrate de potassium, afin d assurer un bon contact avec le gel. 9

10 Solution de KNO 3 gélifiée Goutte de FeCl 3 Eponges Migration des ions Vérifier la bonne conduction de l ensemble enn appliquant une tension de 30 V entre les deux électrodes à l aide de l alimentation continue. Repérer le centre de la cellule et y déposer 1 goutte de solution de chlorure c ferrique. Au bout de 5 minutes d applicationn de la tension, observer la goutte. On pourra révéler la position des ions en ajoutant un peu de solution concentrée de thiocyanate de potassium sur la surface du gel. Commentaires : Cette expérience met en évidence la migration des ions,, c est à dire leur déplacement sous l action d un champ électrique. Les anions et les cations migrent en sens inverse du faitt de leur charge opposée. On suit ici la migration des ions Fe 3+ par leur coloration orangée, que l on peut accentuer grâce g au complexe rouge sang Fe(SCN) 2+. Exp. 2.1 Mesure dee la conductivité de l eau pure Introduire 100 ml d eau distillée dans un erlen très propre. La porter à ébullition pendant 30 secondes. Boucher (utiliser un bouchon assez gros pour qu il ne puisse pas s enfoncer dans le col au cours du refroidissement). Refroidir jusqu à la température ambiante. Rincer la cellule du conductimètre à l eau mesurer sa conductance. distillée (non bouillie) et Faire ainsi de même avec l eau bouillie. Noter la valeur initiale de conductance que son évolution auu cours du temps. Etalonner le conductimèc ètre à l aide d unee solution de chlorure de potassium 0,1 M. En déduire la valeur de la conductivité de l eau pure. 10

11 Commentaires : La mesure de conductivité est un moyen de contrôler la pureté de l eau. En l absence d impuretés ioniques, sa valeur est donnée par les conductivités des ions issus de l autoprotolyse. (H + ) = 349,6 S.cm 2.mol 1 ; (OH ) = 199,1 S.cm 2.mol 1 D où une conductivité de l ordre de 55 ns.cm 1 à 25 C. Exp. 2.2 Solutions électrolytiques et non électrolytiques Réaliser les solutions suivantes en dissolvant dans 100 ml d eau distillée : 1 g de chlorure de sodium 1 g de glucose 1 g de potasse Mesurer la conductance de ces 3 solutions. Que peut on en conclure? Commentaires : On donne les conductivités molaires des ions suivants : (Na + ) = 50,1 S.cm 2.mol 1 ; (K + ) = 73,5 S.cm 2.mol 1 ; (Cl ) = 76,3 S.cm 2.mol 1 Vérifier que les conductances mesurées sont bien dans l ordre attendu. Exp. 2.3 Expérience du jet d eau Boucher un ballon à l aide d un bouchon percé dans lequel est introduit un tube de verre. Fixer le ballon. Introduire de l ammoniac gazeux dans un ballon. Plonger le tube dans un cristallisoir contenant de l eau et un peu de phénolphtaléine (cf. figure). Observer. 11

12 Commentaires : Cette expérience illustre la dissociation partielle des gaz possédant des propriétés acido basiques. Cette dissociation s accompagne d une dépression dans le ballon entraînant l aspiration de l eau contenue dans le cristallisoir. L indicateur coloré rend compte des propriétés acido basiques de la solution après dissolution du gaz. b. Influence de divers paramètres sur la conductivité Exp. 2.4 Conductivité en fonction de la concentratio n On dispose d une solution d acide chlorhydrique 0,10 M. Introduire 1 ml de cette solution dans 60 ml d eau distillée. Mesurer la conductance dee la solution finale. Mesurer la conductance dee cette solution après 5 additions successives de 1mL d acide chlorhydrique. Tracer la conductivité molaire en fonction de la racine carrée dee la concentration. En déduire la conductivité molaire à dilution infinie pour HCl. Commentaires : Cette expérience montre l influence de la concentration de l électrolyte sur sa conductivité molaire. Dans le cas d un électrolyte fort, celle ci suit la loi de Kohlrausch : 12

13 Exp. 2.5 Conductivité en fonction de la taille des ions On dispose de solutions décimolaires de fluorure, chlorure, bromure et iodure de sodium. Mesurer la conductance de chacune de ces solutions. Que peut on en conclure? Commentaires : Il s agit de vérifier l influence de la taille et de la solvatation des ions sur la conductivité molaire. Les tables donnent pour le rayon ionique et la conductivité molaire à dilution infinie : Ion r /pm / S.cm 2.mol 1 F ,4 Cl ,3 Br ,1 I ,8 Vérifier que les valeurs mesurées sont en accord avec les valeurs tabulées et discuter l influence conjointe de la taille et de la solvatation des ions sur la conductivité molaire. c. Mesure de la solubilité par conductimétrie Exp. 2.6 Détermination de la solubilité du sulfate de calcium Introduire une spatule de sulfate de calcium dans un erlen contenant 100 ml d eau distillée. Agiter. Au bout de quelques minutes, filtrer la solution saturée et mesurer sa conductance à l aide du conductimètre. Mesurer également la conductance de l eau distillée. Etalonner la cellule conductimétrique. Déterminer la conductivité molaire du sulfate de calcium et en déduire la valeur de la solubilité. Commentaires : La conductimétrie est une méthode permettant de déterminer la solubilité d un sel par dosage des ions qui le constituent. Cette méthode nécessite quelques précautions : il est préférable de thermostater la cellule, la solubilité dépendant de la température. En outre, il est indispensable d étalonner la cellule conductimétrique pour pouvoir déterminer la conductivité de la solution saturée à partir de sa conductance. Données numériques : Conductivités molaires à dilution infinie à 25 C (S.cm 2.mol 1 ) : (Ca 2+ ) = 119 ; (SO 4 2 ) = 160 Produit de solubilité du sulfate de calcium à 25 C : K s = 2,

14 Annexe TP Tracé du diagramme E=f(pH) du fer : aspect théorique («Des expériences de la famille rédox», Ed. De Boeck, Cachau Herraillat) 14

15 15

16 16

17 17

18 2. Conductimétrie Aspects théoriques Conductivité ionique On rappelle l expression de la conductivité ionique d une solution en fonction de sa composition : F zk ukck k k C k k Où u k et k désignent la mobilité et la conductivité molaire de l espèce k de charge z k présente en concentration C k. Par ailleurs on définit la conductivité molaire d une solution de concentration C par : k k C k Conductimètrie La cellule conductimétrique se compose de deux électrodes de Pt recouvertes de noir de Pt entre lesquelles on impose une tension sinusoïdale de faible amplitude. La conductance de la solution est mesurée à partir d un pont de Wheastone : G S kcell La constante de cellule k cell est mesurée par étalonnage à l aide d une solution décimolaire de chlorure de potassium dont la conductivité est tabulée en fonction de la température. Sa valeur est voisine de 1 cm. corps en verre noir de Pt l S Schéma de la cellule de conductimétrie. 18

19 Fiche technique Produits Matériel Solutions NaF, NaCl, NaBr, NaI 0,1 M Conductimètre + cellule thermostatée (6) Solution KNO 3 0,1M Fil de cuivre Solution HCl 0,1 M ph mètre mv mètre (2) Solution KCl 0,1 M pour étalonnage Générateur de tension continue 100 V + pinces croco Solution d héliantine Alimentation stabilisée Solution de phénolphtaléine Milliampèremètre Bouteille ammoniac Boite de pétri Chlorure de sodium Papier filtre Glucose Morceau d éponge Sulfate de calcium Electrode de fer Electrode de référence Potasse Robinet 3 voies Gélatine Electrode Ag/AgCl Chlorure ferrique Verrerie Cristallisoir Ballon + bouchon percé + tube de verre Erlen de 250 ml (4) Bécher de 250 ml (2) Burette droite 25 ml avec ouverture entonnoir Burette de 25 ml coudée (2) Bécher de 100 ml (4) Pipette de 1 ml + poire Eprouvette graduée de 100 ml 19