La voiture au XXIe siècle, batteries Li-ion, bac SPCL Mayotte 2022. En poursuivant votre navigation sur ce site, vous acceptez l’utilisation de Cookies vous proposant des publicités adaptées à vos centres d’intérêts. . . . . . . .. .. ...... ... Extraction du lithium. La saumure extraite des lacs est une solution aqueuse qui contient différentes espèces chimiques ioniques telles que le chlorure de sodium (Na+ (aq) ; Cl− (aq)), le chlorure de potassium (K+ (aq) ; Cl− (aq)) en plus du chlorure de lithium (Li+ (aq) ; Cl− (aq)). Lors de l’évaporation d’une partie de l’eau contenue dans la saumure, on observe la cristallisation de chlorure de sodium NaCl(s) et de chlorure de potassium KCl(s). La saumure obtenue est alors plus concentrée en ions lithium Li+ (aq).  Q1 - En utilisant les valeurs de solubilité données, expliquer pourquoi dans la saumure, lors de l’évaporation d’une partie de l’eau : - la concentration en ion Li+ (aq) augmente ; - les masses en ions K+ (aq) et Na+ (aq) diminuent. La solubilité de LiCl est environ 3 fois supérieure à celle de NaCl et de KCl. Donc NaCl et Kcl vont précipiter (les masses en ions K+ (aq) et Na+ (aq) diminuent ). Le volume de la solution diminue par évaporation ; la quantité de matière d'ion Li+ étant constante, sa concentration croït.  La saumure concentrée obtenue est ensuite traitée par dissolution de carbonate de sodium Na2CO3(s). Q2 - Écrire l’équation de la réaction qui modélise la dissolution du carbonate de sodium Na2CO3(s) dans l’eau. Na2CO3(s) --> 2Na+aq +CO32-aq. On obtient alors la précipitation de carbonate de lithium Li2CO3(s). On observe aussi la précipitation de chlorure de sodium NaCl(s). Q3 - Écrire les équations des deux réactions de précipitation qui se produisent. 2Li+aq +CO32-aq --> Li2CO3(s). Na+aq + Cl-aq --> NaCl(s).  La valeur de la concentration finale Cf en ions carbonate doit être au minimum de 60 g·L–1 pour atteindre l’objectif de l’industriel : récupérer 90 % du lithium présent initialement dans la saumure utilisée.  Protocole de titrage des ions carbonate dans la solution surnageante : − un volume V0 = 2,0 mL de solution surnageante, notée S0, est placé dans une fiole jaugée de 200 mL ; − la fiole jaugée est complétée au trait de jauge avec de l’eau déminéralisée.  La solution obtenue est notée S1 ;  − un volume V1 = 5,0 mL de solution S1 est dosé par titrage avec une solution d’acide chlorhydrique (H3O+ (aq) ; Cl− (aq)) de concentration Ca = 1,0×10–2 mol·L –1 . Ce dosage est suivi par pH-métrie après avoir ajouté de l’eau distillée pour que la sonde du pH-mètre soit suffisamment immergée. La courbe d’évolution du pH en fonction du volume versé Va de solution acide est donnée.  Q4 - Sachant que l’acide conjugué de l’ion carbonate CO3 2– est l’ion hydrogénocarbonate HCO3 – , qui est lui-même la base conjuguée du dioxyde de carbone dissous dans l’eau (CO2 ,H2O), écrire les deux couples acide/base faisant intervenir l’espèce amphotère HCO3 – . CO2 ,H2O / HCO3 – aq et HCO3 – aq / CO3 2– aq. On donne ci-dessous le diagramme de distribution des espèces CO3 2– , HCO3 – et (CO2 ,H2O) en fonction du volume versé Va d’acide chlorhydrique. Q5 - À l’aide du diagramme de distribution fourni et des équations des réactions chimiques impliquées, expliquer l’allure de la courbe de titrage obtenue. Premier saut de pH : CO3 2– aq + H3O+ (aq) --> HCO3 – aq +H2O(l). (1) Second saut de pH : HCO3 – aq + H3O+ (aq) --> CO2 ,H2O +H2O(l). (2) Q6 - Montrer que, lorsqu’on atteint la deuxième équivalence, la relation entre la quantité de matière d’ions carbonate nCO3 2- en solution au début du dosage et la quantité de matière d’ions oxonium nH3O + versés jusqu’à la deuxième équivalence est :  2 × nCO3 2- = nH3O + . Ajouter (1) et (2) CO3 2– aq + 2H3O+ (aq) --> CO2 ,H2O +2H2O(l). Au regard des coefficients stoechiométriques : 2 × nCO3 2- = nH3O + . Q7 - En utilisant la courbe de titrage , déterminer le volume à l’équivalence Veq2 correspondant au second saut de pH.  Q8 - À l’aide des questions précédentes, déterminer la valeur de la concentration en quantité de matière C1 de l’ion carbonate CO3 2– de la solution S1.  nCO3 2- = nH3O + / 2 = 0,010 x15,5 10-3 / 2 =7,5 10-5 mol dans 5,0 mL soit 7,5 10-5 /(5,0 10-3) =1;5 10-2 mol / L.  Q9 - Montrer que la valeur de la concentration en masse Cm0 des ions carbonate de la solution S0 est comprise entre 90 et 100 g·L–1 . Tenir compte de la dilution au centième. 1;5 10-2 x100 = 1,5 mol / L. M(carbonate) = 12 +3x16 = 60 g/mol. Cm0 =60 x1,5 = 90 g / L.  Q10 - En déduire si l’ajout de carbonate de sodium à la saumure traitée a permis d’atteindre l’objectif visé. Cette valeur étant supérieure à 60 g /L, l'objectif n'est pas atteint. ... .... Batterie Li-ion : évolutions. Cette partie s’intéresse à une évolution de la batterie Li-ion : une nouvelle voie de synthèse du solvant composant l’électrolyte. Parmi les solvants organiques utilisés pour l’électrolyte, on trouve le carbonate d’éthylène dont la formule topologique est donnée. On s’intéresse à la synthèse au laboratoire du carbonate d’éthylène décrite dans un article de recherche publié dans la revue The Journal of Organic Chemistry (2018, vol. 83, pp. 11768-11776). L’équation de la réaction de synthèse est donnée ci-dessous : Protocole expérimental : on réalise un mélange contenant 8 mL de 2-méthyl-THF (solvant), 0,34 g d’éthane-1,2-diol, 1,1 g de carbonate de diphényle et un catalyseur appelé TBD. Le mélange est mis sous agitation à 30 °C pendant deux heures. Une fois la transformation chimique terminée, on ajoute quelques gouttes d’acide éthanoïque au mélange réactionnel avant de réaliser une purification appelée chromatographie sur colonne. On obtient une huile incolore notée (H), de masse 0,40 g.  Q11 - Identifier la fonction chimique présente dans l’éthane-1,2-diol. Alcool primaire. Q12 - Déterminer la valeur de la quantité de matière initialement présente pour chacun des deux réactifs. En déduire lequel des deux réactifs est le réactif limitant. Quantité de matière : éthane-1,2-diol : M=62,1 g / mol ; n1 =0,34 / 62,1 =5,5 10-3 mol. ( en excès). Carbonate de diphényle M =214 g / mol ; n2 = 1,1 /214=5,1 10-3 mol. Q13 - Déterminer la valeur du rendement global de la synthèse dans l’hypothèse où l’huile obtenue (H) est constituée uniquement de carbonate d’éthylène. Commenter. Quantité de matière théorique : 5,1 10-3 mol. M(H) =88 g / mol ;masse 88 x5,1 10-3 =0,45 g. Rendement = masse réelle / masse théorique =0,40 / 0,45 =0,88 (88 ). Ce rendement est assez élevé.  On réalise le spectre infrarouge de l’huile obtenue (H). Il est fourni ci-dessous ainsi que des données sur les nombres d’onde en spectroscopie infrarouge. Q14 - Montrer que le spectre infrarouge confirme l’absence d’éthane-1,2-diol et de phénol dans l’huile obtenue (H). Absence de bande due à OH libre et OH lié vers3200 - 3600 cm-1.  Q15 - Montrer que ce spectre infrarouge peut correspondre à celui du carbonate d’éthylène. On analyse aussi l’huile obtenue (H) par spectroscopie de RMN du proton et on obtient le spectre ci-après. Q16 - Montrer que la multiplicité du signal à 4,47 ppm est en accord avec la structure du carbonate d’éthylène. Les 4 protons du carbonate d'éthylène étant équivalents, il n'y a pas de couplage, d'où le singulet.  Q17 - En utilisant les résultats obtenus par spectroscopie infrarouge et spectroscopie de RMN, commenter la pureté de l’huile obtenue (H). Les spectre IR et RMN confirme que l'huile H est pure. Les auteurs de l’étude publiée dans The Journal of Organic Chemistry cherchent à montrer l’efficacité du carbonate de diphényle comme réactif dans ce type de synthèse, afin de remplacer le phosgène utilisé historiquement.  Q18 - En considérant les données issues des fiches de sécurité, discuter de l’intérêt d’utiliser le carbonate de diphényle à la place du phosgène. Le phosgène est inflamable, corrosif, toxique et cancérigène. Le carbonate de diphényle est dangereux pour l'environnement et nocif par ingestion. Le carbonate de diphényle présente moins de danger que le phosgène.

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