【Édition People's Education】Chimie du lycée, Première année obligatoire, Volume 2 : Soufre, azote, silicium : du cycle naturel à la base de l'industrie chimique

De dons naturels à charpente industrielle

Dans l'histoire de l'évolution de la Terre,soufre, azote, siliciumils constituent non seulement la matière première de la croûte terrestre et de la vie, mais aussi la base de la civilisation chimique moderne. Le silicium, sous forme de dioxyde de silicium et de silicates, structure les roches et le sol ; aujourd'hui, il soutient l'industrie électronique de l'ère de l'information grâce à son état pur. Le soufre et l'azote accomplissent leur cycle naturel dans les grondements des éclairs et des volcans, capturés par l'homme pour être transformés en acide sulfurique et en ammoniaque, nourrissant ainsi l'agriculture et la défense.

Propriétés fondamentales et logique des états d'oxydation

Élément soufre (S): situé dans la troisième période et le groupe VIA. Les états d'oxydation courants sont -2, 0, +4, +6Le soufre élémentaire est communément appelé soufre jaune, un cristal jaune, cassant, peu soluble dans l'eau, légèrement soluble dans l'alcool, très soluble dans le $CS_2$.
La structure atomique détermine les propriétés: l'atome de soufre possède 6 électrons sur sa couche externe, ce qui lui permet facilement d'accepter des électrons (exhibant une réactivité oxydante, formant l'état -2), mais également de perdre des électrons lorsqu'il réagit avec un fort agent oxydant (exhibant une réactivité réductrice, formant les états +4 ou +6).
Silicium (Si): situé près de la frontière entre métaux et non-métaux dans le tableau périodique, ce qui détermine ses propriétés électroniques uniques en tant que matériau semi-conducteur.

Astuce industrielle : lavage au soufre

En laboratoire, si du soufre s'est collé aux parois d'un tube, utilisez du $CS_2$ pour le nettoyer. Grâce au principe « comme dissout comme », le soufre élémentaire est très soluble dans le $CS_2$, un solvant apolaire. Pour un nettoyage chauffé, vous pouvez également utiliser une solution chaude de $NaOH$ (qui provoque une réaction de disproportionnement).

QUESTION 1

Parmi les substances suivantes, quel élément soufre ne peut pas montrer de propriété oxydante ?

A. Na₂S

B. S

C. SO₂

D. H₂SO₄

QUESTION 2

Laquelle des descriptions suivantes des propriétés physiques du soufre élémentaire est incorrecte ?

A. Cristal jaune

B. Cassant, facile à broyer en poudre

C. Facilement soluble dans l'eau

D. Facilement soluble dans le sulfure de carbone (CS₂)

QUESTION 3

Laquelle des affirmations suivantes concernant l'élément silicium est correcte ?

A. Le silicium existe principalement sous forme élémentaire dans la nature

B. Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus largement utilisé

C. Le silicium se situe dans la région des éléments métalliques du tableau périodique

QUESTION 4

Quelle propriété le soufre manifeste-t-il lorsqu'il réagit avec le cuivre métallique (Cu) à chaud ?

A. Réductrice

B. Oxydante

C. Blanchissante

QUESTION 5

En utilisant les connaissances sur la structure atomique des éléments, on peut prédire les états d'oxydation positif maximum et négatif minimum de l'azote :

A. +5, -3

B. +4, -4

C. +5, -1

Pratique intégrée : Cycle naturel du soufre et surveillance environnementale

Analyse des transformations d'états d'oxydation du soufre et de leurs calculs quantitatifs

Le soufre entre naturellement dans l'atmosphère par les éruptions volcaniques (principalement sous forme de $SO_2$), puis pénètre dans le sol par les précipitations. Toutefois, la combustion massive de combustibles fossiles entraîne une concentration excessive de $SO_2$ dans l'atmosphère, provoquant des pluies acides. Un groupe d'intérêt chimique a mené une expérience afin de mesurer la teneur en $SO_2$ de l'air près d'une usine.

1. Décrivez brièvement le cycle du soufre dans la nature, et expliquez comment les activités humaines (comme la combustion du charbon) perturbent ce cycle ?

Réponse :
Dans le cycle naturel, le soufre pénètre dans l'atmosphère et les eaux par les éruptions volcaniques et l'érosion des roches, est absorbé par les plantes et les animaux, puis rejoint la biosphère. Il retourne finalement à la croûte terrestre par sédimentation. L'activité humaine, notamment la combustion du charbon, libère une grande quantité de $SO_2$, dépassant la capacité naturelle de purification, entraînant un accumulage de gaz acides dans l'atmosphère, provoquant des pluies acides et perturbant l'équilibre écologique.

2. Dans l'expérience de mesure, de l'air à un débit de $a \text{ L/min}$ est passé à travers $200\text{ mL}$ de solution d'acide permanganate de potassium ($KMnO_4$) à $0.100\text{ mol/L}$, et la solution devient incolore après $b\text{ min}$. Sachant que la réaction est : $5SO_2 + 2MnO_4^- + 2H_2O = 5SO_4^{2-} + 2Mn^{2+} + 4H^+$. Calculez la teneur en $SO_2$ de l'échantillon d'air (unité : $g/L$).

Réponse :
Étapes de calcul : (1) $n(MnO_4^-) = 0.2 \text{ L} \times 0.1 \text{ mol/L} = 0.02 \text{ mol}$ ; (2) selon le rapport stoechiométrique $5:2$, la quantité de $SO_2$ consommée est $n(SO_2) = 0.02 \times 2.5 = 0.05 \text{ mol}$ ; (3) $m(SO_2) = 0.05 \text{ mol} \times 64 \text{ g/mol} = 3.2 \text{ g}$ ; (4) volume total d'air $V = a \times b \text{ L}$ ; (5) teneur $= 3.2 / (ab) \text{ g/L}$.