ELGHM_10 Reduction par le carbone

G.P.
Sujet colle diagrammes d'Ellingham
DIAGRAMMES D'ELLINGHAM
Réduction par le carbone
Approximation
1. Dans le cadre de quelles approximations construit-on un diagramme d’Ellingham?
Couple ZnO solide/Zn solide
Pour le couple ZnO solide /Zn solide et l’équation de réaction :
2 Zn solideO 2 gaz =2 ZnO solide
On donne :
r G ° en kJ.mol – 1=– 6970,20 T où T est la température en K
T fusion  Zn=693 K
et  fusion H °  Zn=6,7 kJ.mol – 1
T vaporisation  Zn=1180 K
et vaporisation H ° Zn=114,8 kJ.mol – 1
T fusion  ZnO=2248 K
2. Construire le diagramme d’Ellingham du zinc pour : 273 K T 1773 K
3. Commenter les différents domaines selon que l'on se trouve en dessous ou au dessus de
1180 K
Couple CO2 gaz / COgaz
Pour le couple CO 2 gaz /CO gaz on donne :
–1
r G ° en kJ.mol =– 5650,17T
4. Écrire la réaction
5. Commenter la valeur numérique de r S °
6. Commenter les domaines dans le diagramme d'Ellingham
Tous les couples du carbone
On a tracé sur le schéma ci-dessous le diagramme d’Ellingham faisant intervenir les couples
C  s /CO g  , C  s /CO 2  g  et CO  g  /CO 2 g  selon les équations de réaction suivantes :
Réaction 1 : C  sO 2 g=CO 2 g
Réaction 2 : 2 C  sO 2  g =2 CO  g 
Réaction 3 : 2 CO  g O 2 g =2 CO 2 g
Les équations théoriques des droites représentées sont les suivantes en kJ.mol −1 :
G.P.
Sujet colle diagrammes d'Ellingham
Courbe A : Δ r G ° =−220 – 0,18 .T
Courbe B : Δ r G ° =−393
Courbe C : Δ r G ° =−5650,17. T
La courbe D en pointillés sera utilisée dans la dernière question.
-200
∆ G° / kJ.mol
-1
r
-250
-300
-350
-400
-450
-500
-550
-600
T/K
0
500
1000
1500
7. Attribuer les 3 droites aux 3 couples d'espèces chimiques du carbone.
8. Montrer que dans certains domaines de température, certaines espèces ne sont pas stables.
9. Représenter alors le diagramme d’Ellingham simplifié pour les espèces C  s , CO  g  et
CO 2  g  .
Réduction de l'oxyde de zinc
C  sO 2 g=CO 2 g
Δ r G 1 ° T =−393
2 C  sO 2 g =2 CO g 
Δ r G 2 ° T =−220 – 0,18 T
2 CO  g O2  g =2CO 2 g 
Δ r G 3 ° T =−5650,17 T
2 Zn sO 2 g =2 ZnO  s
r G 4 ° T =−6970,20 T
2 Znl O 2 g =2 ZnO  s
r G 5 ° T =−7100,22 T
2 Zn g O 2 g =2 ZnO  s 
r G 6 ° T =−9400,42 T
10. On peut utiliser le carbone C pour réduire l’oxyde de zinc.
•
Écrire l’équation bilan de cette réaction.
•
Selon la figure, à partir de quelle température la réaction sera-t-elle favorisée ?
G.P.
Sujet colle diagrammes d'Ellingham
•
Calculer précisément cette valeur à partir des données.
•
Pourquoi faut-il travailler en présence d’un excès de carbone ?
•
Sous quel état se trouve le zinc obtenu ?
11. Peut-on utiliser le monoxyde de carbone comme réducteur ?
•
Écrire l’équation bilan de cette réaction.
•
Préciser la température.
•
Quels seraient les avantages ou inconvénients de ce choix.
Métallurgie du fer
Dans la nature, l’élément fer se rencontre sous la forme d’oxydes de fer : la wüstite FeO ,
l’hématite Fe 2 O 3 , et la magnétite Fe 3 O 4 .
12. Quel est le degré d’oxydation de l’élément fer dans ces oxydes ?
13. La courbe D se réfère au couple Fe s  /2 FeO  s . Peut-on élaborer du fer à partir de
FeO  s en utilisant du carbone ?
14. Comment appelle-t-on un alliage de fer et de carbone (1% de carbone) ?