les pluies acides Fiche enseignant Contexte du TP Ce TP est prévu pour une seule séquence de 2h Il s inspire d un ancien sujet de bac sur la corrosion des gouttières. Il est basé sur un suivi pressiométrique de la réaction de matériaux( zinc en poudre, zinc décapé et zinc non décapé ) avec de l acide chlorhydrique. La mesure est faite par un pressiomètre relié à l interface sysam sp5 Il est proposé ici de travailler avec différents matériaux mais chaque groupe s approprie 1 matériau et fera l enregistrement correspondant. Par contre la recherche du protocole se fait avec l ensemble de la classe, Travail attendu : - S approprier : Justifier le choix d un suivi pressiométrique : Ecrire les réactions qui ont lieu : avec le carbonate de calcium, réaction acide/base et celle avec les métaux formation d un gaz donc possibilité dans une enceinte fermée de mesurer une augmentation de pression Réaliser un suivi pressiométrique de la cinétique de transformation entre les matériaux et l acide chlorhydrique Le cuivre ne réagit pas - Analyser : l élaboration du protocole : Choix des quantités de matière de réactif : 0,015 mol pour chaque matériau et 50mL d acide chlorhydrique Fixer la température : cristallisoir +eau Fixer un temps d enregistrement, un nombre de points d acquisition : 20 min et un point toutes les 30 s. Rmq : pour le groupe qui travaille avec le magnésium ou avec CaCO 3 en poudre, il faudra refaire une acquisition sur une durée plus courte et sur une période d échantillonnage plus courte - Réaliser : respect du protocole établi - Valider /communiquer : comparaison des résultats et réponse à la problématique. RMQ : l attaque du zinc n est pas terminée au bout des 20 minutes. Il est préférable alors de rechercher le temps nécessaire pour atteindre une valeur de pression commune (si les élèves disposent tous de la même fiole à vide) ou une valeur d avancement particulière. Dans ce cas, faire construire la courbe d avancement en fonction du temps Pour obtenir du zinc décapé : mettre de la grenaille de zinc plusieurs dizaines de minutes dans l acide chlorhydrique
Contexte du sujet Lucas élève de terminale S revient d un voyage à Reims. Il a été fasciné par les gargouilles en zinc de la cathédrale et a été surpris par l usure des statues en calcaire. On lui dit que c est la pollution qui est responsable de cela et notamment les pluies acides. De retour en classe, il essaye de comprendre pourquoi le zinc n est pas attaqué par rapport au calcaire. Vous devez élaborer un protocole qui permet de comparer la sensibilité de différents matériaux : on justifiera au préalable le choix de l expérience réalisée. Chaque groupe réalisera une seule expérience. On réalisera une synthèse des résultats et on conclura sur l utilisation opportune du zinc comme matériau de construction notamment pour les gouttières Document n 1 : les pluies acides Les pluies acides, qui existaient même avant l'apparition de l'homme sur Terre, envahissent notre environnement. Une pluie normale n'est pas neutre. Elle n'a donc pas un ph de 7 mais plutôt un ph de 5,6. Ceci est dû au dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère, qui se dissout dans l'eau pour former un acide faible, l acide carbonique H 2 CO 3. Aux États- Unis, le ph moyen est plus de 3,6 mais quelquefois il peut diminuer jusqu'a 2. Des réactions chimiques dans l'atmosphère produisent en effets des acides forts, acides sulfurique et nitrique, à partir du dioxyde de soufre dissous dans l eau sous forme d acide sulfureux et des oxydes d'azote. Les principales sources de ces polluants à l'origine des précipitations acides sont les fumées provenant de secteurs résidentiels, commerciaux et industriels et les gaz d'échappement de million de véhicules de transport. D après http://www.reocities.com/capecanaveral/7207/index02.html NB : Bien que le ph < 7,0 à 25 C caractérise une solution acide, on parle généralement de pluies acides lorsque le ph de l eau de pluie est inférieure 5,6, ph d une eau de pluie «normale». Document n 2 le marbre et le calcaire Le calcaire et le marbre sont tous les 2 composés de carbonate de calcium CaCO 3. Dans le cas du calcaire, les particules y sont fines et le calcaire est alors plus poreux et plus maléables. Le carbonate de calcium est une base faible qui réagit en présence d acide et conduit à la formation de dioxyde de carbone Document n 3 les métaux Pour prévoir les réactions d oxydoréduction, on peut s appuyer en première approche sur l échelle suivante, appelée échelle des potentiels standard. Tous les couples oxydant/réducteur peuvent être classés par leur potentiel standard. Échelle des potentiels standard de quelques couples à 20 C : Élément Couple Potentiel standard (V) cuivre Cu 2+ /Cu 0,34 hydrogène H + aq /H 2 0 Plomb Pb 2+ / Pb -0,126 Étain Sn 2+ / Sn -0,138 Nickel Ni 2+ / Ni -0,257 Fer Fe 2+ / Fe -0,447 Zinc Zn 2+ / Zn -0,760 Magnésium Mg 2+ / Mg -2,37
Un métal réagit avec l ion H + aq ( =H 3 O + ) si le potentiel standard du couple M n+ /M est inférieur à celui du couple H + aq /H 2 Document n 4 Le suivi d une transformation où se forme un gaz est particulièrement intéressant : si l'on contraint la réaction à se produire dans un volume clos et connu, on peut déterminer l'augmentation de pression due à la production de ce gaz et, en supposant ce gaz parfait, utiliser l'équation d'état des gaz parfaits pour remonter à la quantité de gaz formée, n(gaz). n( gaz) xrxt p où V : volume occupé par le gaz dans le récipient clos exprimé en m 3, R constante des gaz V parfaits R=8,31(SI) T, température en kelvin et Document n 5 p surpression exprimée en pascal ( Pa) matériel à disposition Dispositif expérimental -des morceaux de craies de 1,5 g -du magnésium -de la poudre de fer -des copeaux de cuivre -du carbonate de calcium est poudre -de la poudre de zinc -des morceaux de zinc décapés -des morceaux de zinc non décapés -2,0L d acide chlorhydrique à 2,0mol/L -pressiomètre+sysam SP5 -une fiole à vide et un bouchon -éprouvette -verre de montre+spatule -un grand cristallisoir -un thermomètre - une balance
Fiche Résultats Pour faire construire la grandeur avancement dans la feuille de calcul de Latis Pro - renommer Pression-A par P. Relever la pression initiale Pi sur votre enregistrement. - mesurer le volume de la fiole à vide et retrancher 50mL. Convertir ce volume en m 3. Le noter V - Dans la feuille de calcul écrire : Pi= ( introduire la valeur de Pi en hpa) ; V= x=(p-pi)x100xv/ 8,31x293 ( x : avancement de la réaction)) Quelques courbes obtenues ( pression et avancement) 1 g de zinc en poudre 1g de zinc non décapé 1 g de zinc fraichement décapé
1,5 g de carbonate de sodium solide 1,5 g de carbonate de calcium en poudre Quelques éléments de réponses : Dans l analyse des données, on voit que le cuivre n est pas attaqué par H + aq Analyse des résultats L attaque du carbonate de calcium en poudre est la plus rapide puis celle du magnésium Un matériau en poudre est plus attaqué qu un matériau solide : le calcaire sera plus attaqué que le marbre Cas du zinc : le métal n est pas attaqué sauf s il est décapé ou en poudre mais la cinétique de la transformation est lente. En effet, il se forme une couche protectrice composée de carbonate de zinc et qui empêche l attaque acide Le zinc est protégé ce qui explique la longévité des gouttières et son utilisation pour les fabriquer. Le cuivre est plus onéreux.