INSA - 1erCycle - 2emeannee

Interrogation ecrite Chimie 2Test N°2

Aucun document n 'est autorise - calculatrice de type TI30 autorisee.Les quatre exercices sont independants. Le bareme est donne a titre indicatif.

Donnees:On prendra To = 273 K 1 atm = 760 Torr = 1,01325.lOs Pa = 1,01325 barConstante molaire des gaz parfaits: R = 8,314 1.K'I.morl

Ca: 40,1 g.mor] F: 19,0 g.mor] CI : 35,5 g.morl

KS(CaF2)= 3,39.10'1] a 25°CKA(acidepropionique)= 1,34.1 O'Sa 25°C

-0 -0~fH298 (kJ.morl) S298 (J.K,I.mOrl)

Ethanol: CH3CH20H (g) - 235,1 282,7H20 (g) - 241,4 188,8Ethylene: C2H4 (g) 52,3 219,5

Exercice 1 : Synthese industrielle de l'ethanol (10 points)L'ethanol peut etre synthetise par hydratation de l'ethylene en phase gazeuse, a une temperaturede 300°C (573K) sous une pression de 70 bars, en presence d'un catalyseur, selon l'equilibresuivant:

A. Etude de l'equilibre1- Calculer l'enthalpie, l'entropie et l'enthalpie libre standard a 298 K de la reaction ci-dessusprise dans Ie sens (l).2- Calculer la constante d'equilibre de la reaction a 300°C (573K) en negligeant l'influence descapacites thermiques. En realite, si l'on tient compte de l'influence des capacites thermiques, ontrouve KOS73= 3,4.10'3 (cette valeur sera utilisee pour la suite de l'exercice). Est-il raisonnable,dans ce cas, de negliger l'influence des capacites thermiques ?3- Prevoir l'influence qualitative sur cet equilibre Gustification detaillee)

- de la temperature a pression constante,- de la pression a temperature constante.

Commenter les conditions experimentales choisies par l'industrie.

B. Evolution de I' equilibreLa reaction est effectuee a 300°C (573K) et a 70 bars a partir d'un melange contenant 2 moles d'eauet 2 moles d'ethylene.1- Determiner la variance de l'equilibre dans ces conditions. Dresser la liste des parametres intensifsde l'equilibre. Montrer que la variance calculee est coherente avec un systeme d'equations liant les

~ parametres intensifs.

2- On definit l'avancement ~ d'une reaction par la relation suivante : ~ = nj - niOvi

ni represente Ie nombre de moles de reactif ou de produit i pour Ie degre d'avancement ~,niOrepresente Ie nombre initial de moles de reactif ou de produit i,Virepresente Ie coefficient stoechiometrique du reactif i (Vi< 0) ou du produit (Vi> 0).

Calculer la valeur de l'avancement de la reaction a l'equilibre (~e).3- Exprimer Ie rendement en ethanol de cette reaction de synthese en fonction de ~e. Calculer Ierendement a l'equilibre a 300 DC sous 70 bars.4- Lorsque la temperature et la pression sont fixees, comment peut-on ameliorer Ie rendement ?5- On ajoute 1 mole d'eau, a temperature et pression constantes, au melange it l'equilibre obtenuprecedemment a 300 DC sous 70 bars.Donner Ie tableau bilan de matiere. Calculer Ie quotient de la reaction (apres ajout d'eau et avantevolution). Dans quel sens va se produire la reaction?

Exercice 2 : pH d'une solution (2,5 points)Calculer Ie pH a 25 DC d'une solution d'acide propionique (CH3CH2COOH) de concentration5.10-2 mol.L-1

• II est demande de lister toutes les inconnues, d'ecrire les equations permettant deresoudre Ie probleme, de preciser les hypotheses simplificatrices eventuellement realisees et deverifier leur validite.

Exercice 3 : Traitement de F- par precipitation (3 points)Dne usine rejette une eau polluee par des ions F, qui doit etre traitee avant mise a l'egout. Letraitement consiste en une precipitation des ions F par les ions Ca2+ (par ajout de CaCh, seltotalement dissocie en milieu aqueux).

1/ Determiner la solubilite de CaF2 a 25 DC dans l'eau pure en g.L-1•

2/ La concentration initiale en Fest egale a 19 mg.L-1• Pour respecter les normes de rejets, a la

fin du traitement, la conceritration finale de F libre en solution ne doit pas exceder 1 mg.L-I.Quelle masse de CaCh est necessaire pour traiter 1 m3 d'effluent a 25 DC ?

Exercice 4 : Equilibres hHerogenes (4,5 points)A 800 DC (1073 K), la reduction de l'oxyde magnetique Fe304 par Ie dihydrogene impliquel'intervention des deux equilibres successifs suivants :

1(1) Fe304 (s) + H2 (g) ( ) 3 FeO (s) + H20 (g) K°(1) = 3,22 a 800 DC

21

(2) FeO (s) + H2 (g) ( ) Fe (s) + H20 (g) KO(2)= 0,63 a 800 DC2

Les gaz sont assimiles a des gaz parfaits. Les soli des ne sont pas miscibles.

A.l- Donner les expressions des constantes d'equilibre thermodynamique K°(1) et KO(2).A.2- Montrer que les deux equilibres ne peuvent etre atteints simultanement a 800 DC.

B/ Dans un recipient clos et indeformable, de volume egal a 40 litres et maintenu a 800 DC, onintroduit no = 4 moles de Fe304.1- Quelle quantite minimale de dihydrogene, nl, faut-il introduire dans Ie reacteur pour obtenir laconversion totale de Fe304 en FeO ? Pour repondre a cette question, il sera utile de realiser untableau d'avancement puis d'exprimer K°(1) en fonction de nl lorsqu'il reste une quantitenegligeable de Fe304 (l'equilibre etant toujours atteint).2- Determiner les quantites minimales d'hydrogene qu'il faut introduire depuis Ie debut (de meme,des tableaux d'avancement puis l'expression de KO(2) seront particulierement utiles) :aI pour atteindre l'equilibre (2) : n2,b/ pour obtenir un melange equimolaire en FeO et Fe : n3. Quelle est, a ce moment, la pressiontotale dans Ie reacteur ?