Corrigé Banque PT 2025 Physique B – Chimie PT — Partie E (Q21 à Q32) : Difluor : propriétés du fluor, pictogrammes, électrolyse de HF anhydre et courbes intensité-potentiel

Sujet officiel du concours Banque PT, session 2025, épreuve Physique B – Chimie PT. Corrigé rédigé par Ibrahim Alame.

Énoncé

L'hexafluorure $UF X_{6} (g)$ , utilisé pour l'enrichissement, s'obtient à partir de $UF X_{4}$ par action du difluor $F X_{2} (g)$ , oxydant puissant du couple $F X_{2} (g)$ / $HF (l)$ . Les bouteilles de difluor portent quatre pictogrammes de danger, de gauche à droite : une bouteille de gaz ; une flamme au-dessus d'un cercle ; un liquide qui ronge une surface et une main ; une tête de mort sur deux tibias croisés.

Données : $E^{\circ} (F X_{2} (g) / HF (l)) = 3, 05 V$ , $E^{\circ} (HF (l) / H X_{2} (g)) = - 0, 12 V$ , $E^{\circ} (O X_{2} (g) / H X_{2} O (l)) = 1, 23 V$ , $E^{\circ} (H X^{+} (aq) / H X_{2} (g)) = 0, 00 V$ ; $F \approx 1 \times 1 0^{5} C \cdot mo l^{- 1}$ , $M (F) = 18 g \cdot mo l^{- 1}$ .

Q21. Le fluor est dans la 2^e période et l'avant-dernière colonne : nombre d'électrons de valence ?
Q22. Expliquer la valeur élevée de $E^{\circ} (F X_{2} / HF)$ par les propriétés du fluor.
Q23. Donner la structure de Lewis de $F X_{2}$ .
Q24. Justifier la basse température d'ébullition du difluor ( $- 18 8^{\circ} C$ sous $1, 013 bar$ ).
Q25. Préciser la signification des pictogrammes.

$F X_{2}$ est produit sur place par électrolyse de $HF (l)$ anhydre : cathode en acier, anode en graphite, compartiments séparés par une membrane imperméable aux gaz, conditions standard. La figure (annexe 2) donne les courbes intensité-potentiel.

Figure (annexe 2) — Courbes intensité-potentiel pour l'obtention du difluor.

Q26. Attribuer chaque courbe à un couple et préciser le sens de la transformation.
Q27. Schématiser l'électrolyseur : branchements du générateur, sens du courant, réactions aux électrodes.
Q28. Justifier l'absence de palier de diffusion.
Q29. Tracer l'allure des courbes des couples de l'eau à $pH = 0$ (systèmes rapides) ; pourquoi l'électrolyse serait-elle impossible en présence d'eau ?
Q30. Écrire l'équation de fonctionnement de l'électrolyseur.
Q31. Déterminer la tension minimale à imposer pour $j = 10 A \cdot d m^{- 2}$ , la chute ohmique valant $3, 0 V$ .
Q32. Le rendement faradique vaut $0, 9$ : le définir, puis calculer la durée minimale (en jours) pour former $1 kg$ de difluor avec des électrodes de surface $S = 1 m^{2}$ parcourues par une intensité de $10 A$ .

Corrigé

Q21. Le fluor ( $Z = 9$ ) a pour configuration électronique fondamentale $1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{5}$ . Ses électrons de valence sont ceux de la couche de nombre quantique principal le plus élevé, $n = 2$ (la période), soit $2 + 5$ :

$7 e ˊ lectrons de valence$

ce que confirme la position dans l'avant-dernière colonne (colonne 17, halogènes) : il manque un électron pour atteindre la configuration du néon.

Q22. Le fluor est l'élément le plus électronégatif de la classification ( $χ = 4, 0$ sur l'échelle de Pauling) : il attire très fortement les électrons. Il lui suffit de capter un électron pour acquérir la configuration stable du gaz noble suivant (le néon), en formant l'ion fluorure ou la liaison polarisée de HF. Une espèce qui a une forte tendance à capter des électrons est, par définition, un oxydant fort ; le pouvoir oxydant d'un couple se mesure à son potentiel standard, d'où la valeur très élevée $E^{\circ} (F X_{2} / HF) = 3, 05 V$ , la plus grande des couples usuels. (La faiblesse de la liaison $F - F$ , rompue au cours de la réduction, y contribue aussi.)

Ce que le correcteur attend : le lien explicite « forte électronégativité $\Rightarrow$ forte aptitude à capter des électrons $\Rightarrow$ oxydant fort $\Rightarrow$ $E^{\circ}$ élevé ».

Q23. Chaque atome apporte $7$ électrons de valence, soit $14$ électrons, $7$ doublets : un doublet liant (liaison simple $F - F$ ) et trois doublets non liants sur chaque atome. Chaque fluor est entouré de $4$ doublets : la règle de l'octet est satisfaite.

Structure de Lewis du difluor : une liaison simple, trois doublets non liants par atome.

Q24. L'ébullition sépare les molécules les unes des autres : elle ne rompt pas la liaison covalente $F - F$ , mais les interactions intermoléculaires. Or $F X_{2}$ est une molécule apolaire (deux atomes identiques, moment dipolaire nul), sans hydrogène lié à un atome électronégatif : ni interaction de Keesom ni liaison hydrogène. Seules subsistent les interactions de London (dipôle instantané-dipôle induit), d'autant plus faibles que la molécule est petite et peu polarisable ; $F X_{2}$ , avec $18$ électrons tenus près des noyaux, est très peu polarisable. Ces interactions de Van der Waals très faibles sont rompues dès une faible agitation thermique, d'où $T_{eb} = - 18 8^{\circ} C$ . (Comparaison : les dihalogènes plus gros et plus polarisables bouillent plus haut, $Cl X_{2}$ vers $- 3 4^{\circ} C$ , $Br X_{2}$ vers $5 9^{\circ} C$ .)

Ce que le correcteur attend : raisonner sur les interactions entre molécules, et non sur la liaison covalente intramoléculaire.

Q25. Pictogrammes du système général harmonisé (SGH), dans l'ordre :

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