Réponses aux questions de compréhension

La science au secours des navires anciens

1. Les poutres des coques du Vasa et du Mary Rose contiennent environ deux tonnes de soufre, sous forme de l’élément S. Si 1000 kg de soufre dans le bois étaient sous forme de pyrite, FeS₂, combien d’acide sulfurique (H₂SO₄ (aq)) serait produit quand toute la pyrite serait complètement oxydée?
   
   Deux réactions sont courantes, produisant: soit du sulfate de fer(II) hydraté:
        FeS₂(s) + ⁷/₂O₂ + (n+1)H₂O → FeSO₄·n(H₂O)(s) + H₂SO₄(aq)
   soit de la goethite, alpha-FeOOH (comme dans la rouille):
        FeS₂(s) + ¹⁵/₄O₂ + ⁵/₂H₂O → FeOOH(s) + 2H₂SO₄(aq)<
   
   Réponse: 1000 kg de soufre correspondent à 15,6 kmol de FeS₂. Dans le cas du sulfate de fer(II) hydraté, 1,5 tonnes d’acide sulfurique seraient produites. Dans le cas de la goethite, alpha-FeOOH, la production d’acide sulfurique serait double: 3,1 tonnes

1. De l’hydrogénocarbonate de sodium (bicarbonate de sodium NaHCO₃) a été ajouté à la solution que l’on vaporise sur le Mary Rose, afin que le pH reste autour de 7. De combien de bicarbonate de sodium aurait-on besoin pour neutraliser l’acide formé dans la question 1 (à partir de pyrite oxydée contenant 1000 kg de soufre)?
   
   Réponse : Pour neutraliser 1,5 tonnes d’acide sulfurique, il faudrait 2,6 tonnes de bicarbonate de sodium ; pour neutraliser 3,1 tonnes d’acide sulfurique, il faudrait 5,2 tonnes de bicarbonate de sodium.
   
   
2. La pyrite cristalline a un volume de 40 Å 3 par unité de FeS₂ mais elle prend beaucoup plus de volume lorsqu’elle est oxydée. Par exemple, le volume par unité de formule de la mélantérite (sulfate de fer II hydraté FeSO₄·7(H₂O)(s)) est 243,5 Å 3 et de la rozénite (FeSO₄·4(H₂O)(s)) 162,7 Å 3. La natrojarosite, NaFe₃(SO₄)₂(OH)₆, avec un volume de 266,0 Å 3 par unité de formule, est aussi trouvée couramment dans le bois du Vasa.
   
   Donnez une estimation de l’augmentation de volume lorsqu’un cristal de pyrite s’oxyde et que les sels suivants cristallisent : a) FeSO₄·7(H₂O)(s), b) FeSO₄·4(H₂O)(s) et c) NaFe₃(SO₄)₂(OH)₆. Quels effets auraient ces réactions si elles avaient lieu à l’intérieur de la structure du bois?
   
   Réponse : Quand le solide FeSO₄·7(H₂O)(s) précipite, le volume augmente 12,2 fois pour FeSO₄·7(H₂O)(s); 8,1 fois pour FeSO₄·4(H₂O)(s); et 6,7 fois pour NaFe₃(SO₄)₂(OH)₆. Cela peut entraîner des résurgences de sels à la surface du bois, ou provoquer des fissures à l’intérieur.
   
   
3. In a chemistry textbook, look up a schematic molecular orbital energy level diagram for the oxygen molecule O₂ in its ground state. Explain how uptake of energy from light can produce singlet oxygen, ¹O₂, with all electrons paired Dans un livre de chimie, trouvez un diagramme schématique des niveaux d’énergie des orbitales moléculaires d’une molécule d’oxygène O₂ dans son état fondamental. Expliquez comment un supplément d’énergie venant de la lumière peut produire la forme d’oxygène singulet ¹O₂, avec tous les électrons apariés.
   
   Réponse: La molécule O₂ est paramagnétique avec ses deux électrons externes non apariés, chacun dans une des deux orbitales moléculaires p dégénérées (avec la même énergie) non-liantes formées en combinant les orbitales p des atomes d’oxygène. Avec un supplément d’énergie d’environ 92 kJ/mol venant de photons de lumière, les deux électrons externes peuvent être apariés (un photon de 400 nm a une énergie de 300 kJ/mol). Pour apporter cette énergie supplémentaire, on utilise généralement un sensibilisateur (par exemple de la matière organique dissoute capable d’absorber de la lumière). La molécule d’oxygène singulet ¹O₂ excité (un seul arrangement dans l’espace pour une paire d’électrons) est une forme d’oxygène de courte vie, diamagnétique mais réactive, dont l’énergie est juste suffisante pour une oxydation douce. (Stumm W, Morgan) (1996) Aquatic Chemistry (3rd ed). New York, NY, USA : Wiley-Interscience)