Chapitre 8 : élaboration d’un produit de la vie courante

Dosage de l'étain dans le fer blanc (Bac Polynésie 2003) corrigé

Document : D'après "Chimie-tout" (de S. Haurat, E. Lecorgne et O. Leduc)Éditions Cultures et Techniques.

Le fer blanc est un produit laminé plat recouvert d'une fine couche d'étain. Grâce à ses nombreuses qualités physiques (légèreté, résistance aux contraintes mécaniques et aux conditions de stérilisation), il est utilisé pour la fabrication d'emballages et de boîtes, en particulier les boîtes de conserve. Il présente aussi des qualités chimiques non dénuées d'intérêt, résistance à la corrosion en particulier. De plus ses propriétés magnétiques permettent de le récupérer dans les ordures ménagères. Il est ensuite utilisé comme matière première. Ainsi on remarque, en Europe, une suprématie du fer blanc sur l'aluminium pour la fabrication des boites de boissons. En effet l'aluminium est plus coûteux : il faut 3,5 fois plus d'énergie pour fabriquer une boîte en aluminium qu'une boîte en fer blanc. Le but de l'exercice est la détermination de la masse d'étain présente sur une plaque de fer blanc découpée sur une boîte de conserve. On considérera que la plaque est constituée de métal fer Fe recouvert d'une fine couche d'étain Sn.

1. Électrolyse

La première partie de l'analyse consiste à réaliser une électrolyse dans un bain d'acide chlorhydrique. La plaque de fer blanc est suspendue à une électrode de platine. On plonge l'ensemble, ainsi que deux électrodes en graphite, dans un bêcher rempli d'acide chlorhydrique.

Remarque : ce montage contient deux électrodes de graphite afin que l'attaque du fer puisse se faire des deux côtés de la plaque, en face de chaque électrode de graphite. On déclenche l'électrolyse lors de la fermeture de l'interrupteur. le générateur délivre alors un courant d'intensité constante I. Au niveau des électrodes de graphite, on constate l'apparition d'un gaz. La réduction qui s'y produit est la suivante :

2 H⁺(aq)+ 2 e- = H₂(g)

Au niveau de la plaque de fer blanc, se produisent successivement les oxydations suivantes :d'abord

Sn(s) = Sn²⁺(aq) + 2 e^-

puis, lorsque tout l'étain a été attaqué,

Fe(s) = Fe²⁺(aq) + 2 e-

Il y a donc formation d'ions Fe²⁺. Pour caractériser leur apparition, on ajoute quelques cristaux d'orthophénanthroline, composé formant un complexe rouge avec les ions Fe²⁺(aq). On arrête l'électrolyse dès l'apparition de la coloration rouge.

Q1

a) La plaque de fer blanc constitue-t-elle l'anode ou la cathode pour cette électrolyse ?Justifier.

P₂ est-elle la borne positive ou négative de l'alimentation ?

b) Pourquoi arrête-t-on l'électrolyse dès l'apparition de la coloration rouge ?

c) Quelle est la relation entre n(Sn), quantité de matière d'étain sur la plaque de fer blanc et n(Sn²⁺), quantité de matière d'ions étain formée lors de l'électrolyse ?

2. Dosage indirect de l'étain électrolysé

Données :

Couples oxydant/réducteur : Sn⁴⁺/Sn²⁺ I₂/I^- S₄O₆^2-/S₂O₃^2-

Masse molaire de l'étain : M(Sn) = 118,7 g.mol^-1

Étape 1 : On sort les électrodes et la plaque du bécher contenant l'acide, on les rince à l'eau distillée

en récupérant l'eau de rinçage dans ce bêcher. On ajoute peu à peu un volume V = 10,0 mL d'une solution jaune-orangée de diiode I2(aq) de concentration C = 1,0 x 10^-2 mol.L-1. Au début la coloration de la solution de I₂(aq) disparaît au contact de la solution d'ions Sn^2+-(aq).À la fin de l'ajout des 10,0 mL, le mélange garde une coloration jaune-orangée : I₂(aq)a été introduit en excès. La transformation réalisée est modélisée par la réaction suivante :

I₂(aq)+ Sn²⁺(aq)= 2 I^-(aq)+ Sn⁴⁺(aq)

(réaction n°1)

Étape 2 :

Afin de doser le diiode qui n'a pas réagi par la réaction n°1, on verse progressivement dans le bêcher, à l'aide d'une burette, une solution aqueuse de thiosulfate de sodium (2 Na⁺, S₂O₃^2-) de concentration C' = 5,0 x 10^-3 mol.L^-1. Quand la coloration commence à pâlir on ajoute, au contenu du bêcher, quelques gouttes d'empois d'amidon; la solution devient violette, car l'empois d'amidon sert à mettre en évidence I₂(aq) même en très faible quantité. On continue à verser la solution aqueuse de thiosulfate de sodium jusqu'à disparition de la coloration violette du mélange contenu dans le bêcher. Le volume de la solution aqueuse de thiosulfate de sodium versée est alors V' = 9,7 mL.

Q2

a) Écrire les demi-équations électroniques associées aux couples mis en jeu au cours de la transformation modélisée par la réaction 1.

b) Calculer la quantité de matière de diiode n introduite dans le bêcher au début de l'expérience.

Q3

Le dosage du diiode par la solution de thiosulfate de sodium est modélisée par la réaction d'équation :

2 S₂O₃^2-(aq)+ I₂(aq) = S₄O₆^2-(aq)+ 2 I^-(aq)

(réaction n°2)

a) Calculer la quantité de matière n₂ de diiode ayant réagi avec les ions thiosulfate.

b) En déduire la quantité de matière n(Sn²⁺) d'ions Sn²⁺(aq)présente dans le bêcher après l'électrolyse.

c) Déduire, à l'aide de la question Q1 c., la quantité de matière d'étain n(Sn) sur la plaque de fer blanc puis m(Sn), la masse d'étain correspondante.