Synthèse de la magnétite Fe3O4 sous mélange de gaz CO-CO2

Enoncé

Le but de cet exercice est de déterminer les conditions de synthèse de la magnétite à partir d'un autre oxyde de fer à . A une température donnée, la composition d'un oxyde est définie par sa pression partielle d'oxygène d'équilibre.

  1. Le diagramme de phase du système est donné figure 1 ci-dessous. Donner le nom des trois oxydes que l'on peut obtenir ainsi que leurs domaines d'existence en température. Préciser si ce sont des composés définis ou s'ils présentent un domaine d'existence.

  2. On considère maintenant le diagramme isobare pression partielle d'oxygène - composition du système à (figure 2 ci-dessous). Identifier les domaines d'existence du fer, de la wüstite, de la magnétite et de l'hématite. Ecrire les équilibres réactionnels correspondants aux différents plateaux observés.

  3. A partir des enthalpies libres standards de formation des oxydes à , reportées dans le tableau 1 ci-dessous, calculer les pressions partielles de dioxygène pour chacun des équilibres précédents. Quelle est la pression d'oxygène nécessaire pour obtenir la phase à partir de la wüstite ?

  4. On cherche à obtenir cette pression partielle de dioxygène par un mélange gazeux de et de , sachant que l'on a l'équilibre suivant :

    (a)

    Quel rapport préconisez-vous pour réaliser la synthèse de la question précédente ?

  5. On réalise la synthèse de la magnétite à à partir de la wüstite sous mélange gazeux adapté. Le produit est alors refroidi jusqu'à température ambiante. Calculez la pression partielle d'oxygène d'équilibre pour la réaction de synthèse de à . Vérifier que les valeurs des imposées par la réaction (a) conduisent à la formation de magnétite pour  et . Que peut-on dire pour le refroidissement ?

  6. Sachant qu'il existe l'équilibre de Boudouard :

    (b)

    Calculer l'activité du carbone solide à et .

    Que pensez-vous d'un refroidissement lent ?

Tableau 1. Enthalpies libres standard de formation des oxydes à 927°C

à 927°C

-186,34

-731,90

-512,22

-217,56

-395,76

à 627°C

-205,66

-822,04

-615,54

-191,20

-395,41

Diagramme de phase Fe-O
Graphique portant la pression partielle d'oxygène à l'équilibre, en fonction de la composition de l'oxyde de fer à T = 927°C
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