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1/3 Filière : SMC3 Module : Chimie Descriptive & Diagramme de phases 2016/2017

1/3 Filière : SMC3 Module : Chimie Descriptive & Diagramme de phases 2016/2017 FSA Examen : Session normale ( Corrigé) Durée : 1h 30 Min Note importante : les réponses NON justifiées et les résultats NON détaillés ne sont pas considérés comme justes (zéro )!!! Données : Masses atomiques : H : 1 ; N : 14 ; O : 16 ; S : 32 ; K : 39,1 Constante des gaz parfaits : R = 0,0821 L·atm·K-1mol-1 CO(g) NiO(s) Ni(s) C(s) O2(g) Tfus(Ni) ∆Hfus (Ni) ∆H°(kJ mol-1) -110,5 -244,3 0 0 0 1455°C 17,47 kJ·mol-1 S° (J K-1 mol-1) 197,6 38 29,9 5,7 205 I- ETUDE DU DIAGRAMME BINAIRE LIQUIDE-VAPEUR DU SYSTEME H2O-HNO3 (10 points): On se propose de tracer le diagramme liquide-vapeur du système H2O-HNO3 sous une pression de 1 atm. Pour cela on dispose des données expérimentales groupées dans le tableau suivant : Fraction massique en HNO3 0 0,1 0,15 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,66 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 1 er accident (T°C) 101 102 103 105 109 115 120 120 114 105 99 93 88 2 ème accident (T°C) 106 109 112 116 118 120 122 122 120 117 112 105 96 Palier (T°C) 100 123 83 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Temperature ( 0C) Fraction massique en HNO3 H2O HNO3 Liq. + Vap. Liq.+Vap. Liq. Vap. courbe de rosée 1°/ Tracer le diagramme de phases du système binaire H2O-HNO3. 4 * 0.5 pts 2°/ Indiquer pour chaque domaine les phases en présence. 4 * 0,25 pt 3°/Indiquer sur la figure la courbe de rosée. 0,25 pt 4°/ Comment s'appelle le mélange dont la composition correspond à la température maximale ? Mélange azéotropique (maximum ou négatif) 0,25 pt www.goodprepa.tech 2/3 5°/ Quelle est la valeur de la variance de ce mélange à température constante ? V = n + P - Φ Donc : V = 0 (invariant) 0,5 pt On considère un nouveau mélange M obtenu lors de la préparation industrielle de l'acide nitrique. Il est constitué au total de 100 moles et sa fraction molaire en HNO3 est xHNO3= 0,11. 6°/Montrer que la masse totale de ce mélange M est égale à 2295 g. 1 pt 7°/Calculer la fraction massique en HNO3 de ce mélange M. XHNO3 = 0,30 1 pts 8°/ A quelle température ce mélange M commence à bouillir ? T = 105 °C 0,5 pt Ce mélange M est maintenu en équilibre à 109°C. 9°/ Donner la fraction massique des phases en présence. Phase liq. : [0,40 en HNO3 ; 0,60 en H2O] 0,5 pt Phase vap. : [0,15 en HNO3 ; 0,85 en H2O] 0,5 pt 10°/ Calculez alors les masses de chacune des phases. Règle des moments : Masse de la phase liquide = 1377 g 0,5 pt Masse de la phase vapeur : = 918 g 0,5 pt On se propose d’effectuer une distillation fractionnée de ce mélange industriel : 11°/ Indiquer sur ce schéma ce qu’on recueillera en haut et en bas de la colonne à distiller ? Justifier votre réponse. 0,5 pt 0,5 pt Au cours de la distillation fractionnée : 0,5 pt * La vapeur de ce mélange s’enrichit en composé le plus volatile (ici H2O en tête de la colonne) * Le liquide devient de plus en plus riche en composé le moins volatile (ici l'azéotrope en bas de la colonne) II- CHIMIE DESCRIPTIVE (10 points): A- L’acide nitrique est utilisé principalement dans la fabrication des engrais azotés. La production industrielle de l’acide nitrique est réalisée par le procédé Ostwald.Ce procédé comprend 3 étapes : Première étape : 4 NH3 (g) + 5 O2 (g) → 4 NO(g) + 6 H2O (g) Deuxième étape : 2 NO(g) + O2 (g) → 2 NO2 (g) Troisième étape : 3 NO2 (g) + H2O (l) → 2 HNO3 (aq) + NO (g) 1-Dans un cycle de production, les gaz formés dans la première étape occupent un volume total de 4,31 m3 à 25 °C et sous 1 atm. Calculer la quantité, en moles, de NO produit. nt= 176,164278 mol n(NO)= 70,47 mol 0,5 pt 2-Dans un autre cycle de production, on a utilisé 3,00 kg de gaz ammoniac et tout le gaz NO produit a été utilisé pour produire le gaz NO2 dans la deuxième étape. Calculer la masse de NO2 formée à partir de 3,00 kg d'ammoniac en supposant un rendement de 96% au cours de la première étape. m(NO)= 5,29 kG 0,5 pt Le rendement est de 96% donc m'(NO)= 5,08 kG 0,5 pt Et m(NO2)=7,79kG 0,5 pt www.goodprepa.tech 3/3 3-Calculer la masse d’acide nitrique produite, dans les mêmes conditions, à partir de 3,00 kg d’ammoniac. m(HNO3)= 7,12 kG 0,5 pt 4-Calculer la concentration molaire de l'acide nitrique produit lorsque 0,6 mol de NO2 réagissent, sans variation de volume, avec 250 cm3 d'eau. n(HNO3)= 0,4 mol 0,5 pt * concentration de l'acide nitrique C= 1,6 mol/l 0,5 pt ***** B- Un sac d’engrais est composé d’un mélange de 48 kg de sulfate d’ammonium ((NH4)2SO4) et de 52 kg de sulfate de potassium (K2SO4). 1-Donner la définition d’un engrais composé ? Un engrais composé contient 2 ou 3 éléments nutritifs. 0,5 pt 2-Quels sont les éléments fertilisants contenus dans cet engrais ? Les éléments fertilisants de cet engrais sont l'azote(N) et le potassium(K) 0,5 pt 3-Déterminer la formule de cet engrais. * élément azote(N) m(N)= 10,18 kG 0,5 pt * élément potassium(K) m(K)= 23,34 kG 0,5 pt m (K2O)=28,12kG 0,5 pt la masse totale du sac est de 100kG d’où : la formule est : 10-0-28 0,5 pt ***** C- On étudie les réactions suivantes dans le domaine de température [300K , 1500K] : 2 C + O2 2 CO (1) 2 Ni + O2 2 NiO (2) 1-Tracer le diagramme d'Ellingham correspondant. * calcul des ∆G0 : * 2 C + O2 2 CO (1) En appliquant la loi de Hess : (donner les détails) ∆ ∆ ∆ ∆G01 = -221 -0,1788 T 0,75 pt * 2 Ni + O2 2 NiO (2) Tfus(Ni) = 1455°C = 1728K dans le domaine [300K , 1500K] le nickel est solide donc pas de changement de phases ∆ ∆ ∆ ∆G02= -488,6 + 0, 1888 T 0,75 pt T(K) ∆G01 (kJ mol-1 ) ∆G02 (kJ mol-1 ) 300 -274,64 -431,96 1500 -489,2 -205,4 2 x 0,5 pt 2-A partir de quelle température, la préparation du nickel est-elle- possible. Donner la réaction globale. ∆G°1=∆G°2 ==> T= 728°C Donc la préparation du nickel est possible à partir de T = 728°C. 0,5 pt La réaction globale est : NiO + C Ni + CO 0,5 pt -500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 (1) C CO NiO Ni (2) www.goodprepa.tech uploads/Industriel/ corrige-examen-smc3-2016-17-normal.pdf