EVOLUTION DE LA CONCENTRATION D UNE ESPECE CHIMIQUE COLOREE LORS D UNE TRANSOFRMATION CHIMIQUE

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1 THEME OBSERVER CHAPITRE 4 EVOLUTION DE LA CONCENTRATION D UNE ESPECE CHIMIQUE COLOREE LORS D UNE TRANSOFRMATION CHIMIQUE OBJECTIFS Utiliser les notions de couleurs complémentaires du cercle chromatique pour identifier la couleur d une solution à partir de son spectre d absorbance Déterminer le volume à prélever pour préparer une solution par dilution, ou la concentration d une solution diluée, à partir du facteur de dilution (voir cours de seconde) Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la concentration d'une espèce colorée à partir d'une courbe d'étalonnage en utilisant la loi de Beer-Lambert Pratiquer une démarche expérimentale mettant en œuvre une extraction, une synthèse, une chromatographie. Calculer une quantité de matière (voir cours de seconde) Equilibrer une équation de réaction chimique Identifier le réactif limitant, décrire quantitativement l état final d un système chimique. Interpréter en fonction des conditions initiales la couleur à l état final d une solution siège d une réaction chimique mettant en jeu un réactif ou un produit coloré. : Acquis : En cours d acquisition : non acquis RESSOURCES (Les ressources sont disponibles sur le site internet TP6 Dosage d une solution colorée Vidéo Transformation chimique Activité - Notion d avancement d une réaction chimique TP7 Suivi d une transformation chimique TRAVAIL A FAIRE Consulter les ressources Compléter la trace écrite (Cours chapitre 4) S exercer sur les exercices d'automatisation et d'analyse (pour les plus avancés : parcours autonome) Faire un résumé du chapitre sous forme de carte mentale Réaliser le projet demandé Apprendre le cours régulièrement Faire des exercices avant le DS PROJET Dosage du vin

2 EXCERCER SES COMPETENCES Parcours commun Parcours autonome 1-Exercices d'automatisation 2-Exercices d'analyse 3- Exercices d approfondissement ou de révision Ex1 Ex2 Ex3 Ex18 Ex19 Ex20 Ex26 Ex27 Ex4 Ex21 Ex5 Ex22 Correction des exercices sur Pronote Ex6 Ex7 Ex23 Ex24 Ex8 Ex25 Ex9 Ex10 Ex11 Ex12 Ex13 Ex14 Ex15 Ex16 Ex17 CHRONOLOGIE

3 THEME OBSERVER CHAPITRE 4 Cours - EVOLUTION DE LA CONCENTRATION D UNE ESPECE CHIMIQUE COLOREE LORS D UNE TRANSOFRMATION CHIMIQUE I. CONCENTRATION D UNE ESPECE COLOREE EN SOLUTION 1. Absorbance d une solution L absorbance est une grandeur et unité qui caractérise l absorption par une molécule d une lumineuse pour une longueur d onde donnée. Pour une substance totalement transparente et incolore (ex l eau pure) : A = 0 pour toutes les longueurs d onde Pour une substance opaque : A est infini L absorbance se mesure à l aide d un... Plus une radiation est absorbée, plus l'absorbance est. Le graphe qui représente l absorbance A d une solution en fonction de la longueur d onde λ de la radiation qui la traverse est appelé. La couleur d'une solution correspond à. de celle qu'elle absorbe principalement. Ex : une solution de permanganate de potassium apparaît de couleur magenta car elle absorbe principalement les radiations. (λ max = 535 nm). 2. Loi de Beer-Lambert L absorbance d une solution donnée dépend :. de la lumière traversant la solution : une solution cyan absorbe davantage les radiations rouges que les autres radiations.. de l'espèce colorée en solution : plus une espèce colorée est concentrée, plus sa couleur paraît.. donc plus elle... de lumière donc plus son absorbance est... du récipient dans lequel la solution est contenue : pour une solution de même concentration, plus le récipient est...., plus la solution paraît. donc plus l'absorbance est. (doc.12 p. 85) Loi de Beer-Lambert : A : absorbance de la solution à une longueur d'onde donnée ( ) l : épaisseur de la cuve contenant la solution (en..). C : concentration de l espèce colorée en solution (en..). ε est appelé coefficient d'extinction molaire (en.) : il dépend de la nature de l espèce, de la longueur d onde utilisée, du solvant et de la température Cas important : Si on étudie une espèce chimique donnée, diluée dans un solvant donné, à une température donnée et pour une longueur d'onde fixée, ε est une. et pour une longueur de cuve donnée, l est une constante. La loi de Beer-Lambert s'écrit dans ces conditions : avec k : coefficient de proportionnalité (en..) 1

4 3. Dosage par étalonnage Définition : Doser une espèce chimique en solution consiste à déterminer la de l'espèce en solution Pour doser une solution colorée, on utilise on utilise une méthode de dosage par étalonnage. «Etalonnage signifie que l on va utiliser une gamme de solution de concentration connue pour tracer une droite d étalonnage. Le dosage par étalonnage se déroule en 4 étapes : Choix d une longueur d onde de travail : Utiliser de préférence la longueur d onde λ max correspondant au maximum d absorption Préparation d une gamme d étalonnage : Réaliser par dilution d une solution mère. Si possible, les solutions filles devront avoir des concentrations dont les valeurs encadrent celle de la solution inconnue. Réalisation de la courbe d étalonnage : Relever les différentes absorbances correspondant aux différentes concentrations de la gamme d étalonnage. Trace la droite A=f(C) qui d après la loi de Beer- Lambert est une droite linéaire Détermination de la concentration inconnue : Mesurer l absorbance de la solution colorée de concentration inconnue avec le spectrophotomètre. A partir de la courbe d étalonnage, retrouver la valeur de sa concentration C x Rappels de seconde : Concentration massique c m est le rapport de la masse de soluté (X) et du volume de solution : c m (X) = m(x) V solution avec c m en g.l -1 ; m en g et V en L Concentration molaire C est le rapport de la quantité de matière de soluté (X) et du volume de solution : C(X) = n(x) V solution avec C en mol.l -1 ; n en mol et V en L 2

5 II. SUIVI DE L EVOLUTION D UNE TRANSFORMATION CHIMIQUE 1. Transformation chimique Les espèces chimiques qui constituent un système peuvent réagir entre elles. Le système peut donc évoluer au cours du. Cette évolution peut s observer ou être invisible. Lorsqu un système évolue au cours du temps, il passe d un état.. noté à un état.. noté... On parle d état final lorsque le système. Si la composition chimique de l état final est différente de celle de l état initial, on dit qu il y a eu une.. Les sont les espèces consommées pendant la transformation chimique (il peut rester des réactifs en fin de réaction s ils n ont pas tous été consommés), les. sont les espèces formées et les... sont les espèces présentes dans l état initial et qui ne participent pas à la réaction chimique. Toute réaction chimique peut être décrite par une. de réaction, qui traduit la loi de des éléments ainsi que la loi de conservation de la grâce à des coefficients., nombres entiers placés devant le symbole des réactifs et des produits. Comment «équilibrer» l'équation d'une réaction chimique : Commencer par ajuster les coefficients stœchiométriques des éléments qui n'apparaissent que dans un seul réactif ET dans un seul produit Ajuster ensuite les coefficients stœchiométriques des autres éléments chimiques. Vérifier la conservation de la charge électrique globale des réactifs et des produits. Exemple : S 2O 8 2- (aq) + I - (aq) I 2(aq) + SO 4 2- (aq) 2. Stœchiométrie d'une réaction chimique Pour l'équation de réaction précédente, on peut dire que : Les quantités de matière de réactifs qui disparaissent et de produits qui apparaissent respectent les. indiquées par la stœchiométrie de l'équation bilan. 3. Avancement d'une réaction chimique Encore une fois, on peut dire : la disparition de x mol de S 2O 8 2- (aq) s'accompagne simultanément de la disparition de mol de I - (aq), ainsi que de la formation de... mol de I 2(aq) et de.. mol de SO 4 2- (aq). x est alors appelé avancement de la réaction ; les coefficients multipliant x correspondent Définition : L'avancement. d'une réaction chimique est une grandeur qui permet de suivre l'évolution des quantités de matière de réactifs et de produits au cours de la transformation. Il s'exprime en À l'état initial, les réactifs sont mis en contact mais la réaction n'a pas débuté : x = À l'état final, le système cesse d'évoluer quand l'un des réactifs a été totalement... : x = Un réactif totalement consommé en fin de réaction est appelé ou réactif.. car sa disparition totale (disparition d'un des réactifs) provoque l'arrêt de la transformation. Un réactif qui n'est pas totalement consommé à l'état final est appelé. Si tous les réactifs ont été consommés dans l état final, c'est qu'ils ont été introduits dans les.. 3

6 4. Tableau d'avancement On peut représenter l évolution des quantités de matière de réactifs et de produits au cours d'une transformation à l aide d un tableau d avancement : Equation S2O8 2- (aq) + 2I - (aq) I2 (aq) + 2 SO4 2- (aq) Etat du système Avancement (en mol) Quantité de matière (en mol) Etat initial x = 0 n0(s2o8 2- ) Etat intermédiaire x n0(s2o8 2- ) - x Etat final x = xmax La première ligne reprend l'équation de la réaction ; La 3 ème ligne décrit l'état initial du système en faisant apparaître les quantités de matière des différentes espèces chimiques apportées ; La 4 ème ligne décrit les quantités de matière des réactifs et des produits au cours de la transformation chimique en fonction de leur quantité initiale, de la stœchiométrie et de l'avancement de la réaction. Les nombres qui précèdent l'avancement x correspondent aux coefficients stœchiométriques de l'équation de réaction, précédés d'un signe pour les réactifs (dont les quantités de matière diminuent), et d'un signe + pour les produits (dont les quantités de matière augmentent). La 5 ème et dernière ligne décrit la composition du système dans son état final, c'est à dire pour l'avancement maximal de la réaction, x max. Généralement, on remplit la deuxième ligne d'un tableau d'avancement grâce aux données de l'énoncé qui indique (directement ou pas) quelle quantité de réactifs ont été utilisés. Quantité de matière n d'une espèce solide dont on connait la masse m apportée : Quantité de matière n d'une espèce en solution dont on connait la concentration C et le volume V apporté : Quantité de matière n d'une espèce gazeuse dont on connait le volume V apporté : où V m est le volume molaire d'un gaz qui ne dépend que de la température et de la pression, mais pas de la nature du gaz : à θ = 20 C et P = 1013 hpa, V m = 24,0 L.mol Bilan de matière Un bilan de matière précise la composition du système chimique dans son état initial et dans son état final. Il est toujours effectué en quantité de matière et s'exprime donc en moles. Il faut pour cela exploiter la ligne du tableau d'avancement (généralement donnée par l'énoncé), ainsi que sa. ligne. Détermination de la valeur de x max Pour déterminer la valeur de l'avancement maximal x max, il faut exploiter plusieurs hypothèses sur la nature du réactif limitant. On calcule donc les valeurs de x max qui annuleraient les quantités de chaque réactif. x max correspond alors à la plus. de ces valeurs, car la quantité finale d'un réactif ne peut pas être négative. Le réactif associé à la valeur de x max retenue correspond alors au réactif limitant. 4

7 Application : Si dans l'exemple précédent, l'énoncé nous donne : n 0(S 2O 8 2- ) = 1,7 mol et n 0(I - ) = 3,2 mol Hypothèse S 2O 8 2- est le réactif limitant : Hypothèse I - est le réactif limitant : Le bilan de matière à l'état final est donc : 5

8 THEME OBSERVER CHAPITRE 4 Activité NOTION D AVANCEMENT D UNE REACTION CHIMIQUE Analogie avec la fabrication de sandwichs Un boulanger se lance dans la vente de sandwichs. Afin d améliorer la gestion du stock d ingrédients, son fils chimiste l observe pendant une journée. Avec 1 baguette (B) et 2 tranches de jambon (J), il prépare 3 sandwichs (S). Les ingrédients sont considérés comme des réactifs, consommés au fur et à mesure de la journée. Les sandwichs sont considérés comme des produits, fabriqués tout au long de la journée. Tant que le boulanger possède assez d ingrédients, il réalise la recette que l on peut symboliser par l écriture : 1 B + 2 J 3 S La quantité de sandwichs fabriqués dans la journée dépend de : - La recette (= équation chimique), - La quantité de baguette et de jambon qui était présente initialement dans la boulangerie (= quantité initiale de réactifs). Question 1 : ÉTAT INITIAL : Le boulanger possède 40 baguettes (B), 70 tranches de jambon (J). Il n a encore fabriqué aucun sandwich (S). Compléter UNIQUEMENT LA LIGNE 1 du tableau ci-dessous (p.2) Question 2 : À 11 h du matin : Le boulanger a préparé 3 sandwichs. Il a réalisé une fois la recette de préparation des sandwichs. L avancement x est égal à 1. Compléter UNIQUEMENT LA LIGNE 2 du tableau, en indiquant les quantités de baguette et de jambon qui lui restent en stock. Question 3 : À 11 h 10 : Le boulanger exécute une deuxième fois la recette, fabriquant ainsi 3 sandwichs de plus. L avancement x est égal à 2. Compléter UNIQUEMENT LA LIGNE 3 du tableau. Question 4 : À une certaine heure : Il s agit maintenant de généraliser, afin de ne pas remplir une ligne à chaque fois que la recette est réalisée. Pour les tranches de jambon, à chaque fois que la recette est réalisée une fois, ce sont deux tranches qui sont consommées. Si la recette est réalisée x fois, ce seront 2x tranches qui seront consommées. Au début, il y avait 70 tranches de jambon. Lorsque la recette aura été réalisée x fois, il restera 70 2x tranches. Compléter UNIQUEMENT LA LIGNE 4 du tableau. Faire valider cette ligne par le professeur avant de continuer. Question 5 : Le boulanger se demande quel ingrédient viendra à manquer en premier, stoppant ainsi la fabrication de sandwichs. 1 ère hypothèse : le pain vient à manquer en premier 2 ème hypothèse : le jambon vient à manquer en premier 1

9 a. Compléter : «La quantité initiale de baguettes permettrait de réaliser.. fois la recette. La quantité initiale de jambon permettrait de réaliser.. fois la recette.» b. Quel est l ingrédient qui viendra à manquer en premier? En déduire la valeur de l avancement maximal qu il faut retenir. Compléter la ligne 5 du tableau. c. Faire une phrase indiquant les quantités de chacun des ingrédients restants, et la quantité de sandwichs produite.. d. Quel est le réactif limitant? le réactif en excès?..... Equation de la réaction 1 B + 2 J 3 S Etat du système Avancement Quantités 1 Etat initial x = 0 2 à 11h00 x = 1 3 à 11h10 x = 4 à une certaine heure x 5 Etat final (un des ingrédients a disparu) x max =.. BILAN Dans une transformation chimique, les réactifs en présence donnent naissance à des produits. La transformation se poursuit aussi longtemps que la quantité de chaque réactif est suffisante. Le réactif qui s'épuise en premier est appelé réactif limitant. Le nombre d' «étapes de fabrication» s'appelle l'avancement. Il est maximal lorsque la transformation ne peut plus se poursuivre. Associer à chaque élément de la colonne de gauche celui qui lui correspond dans la colonne de droite Fabrication de sandwich Transformation chimique Éléments nécessaire à la fabrication Avancement maximal Éléments fabriqués Nombre stœchiométrique Nombre d'étapes de fabrication Produits Élément qui nécessite l'arrêt de la fabrication Avancement Nombre maximal possible d'étapes de fabrication Réactifs Quantité de chaque élément nécessaire à une étape de fabrication Réactif limitant 2

10 Exercices : Compléter les tableaux d'avancement (équilibrer l'équation avant de compléter et de calculer x max) 1. Combustion du carbone équation de la réaction C + O 2 CO 2 Etat du système Avancement en mol Quantités Etat initial x = En cours de transformation Etat final x x max =.. Calculs de x max : 2. Combustion du butane équation de la réaction C4H10 + O2 CO2 + H2O Etat système Avancement en mol Quantités Etat initial x = En cours de transformation Etat final x x max =.. Calculs de x max 3

11 THEME OBSERVER CHAPITRE 4 TP6 : DOSAGE D UNE SOLUTION COLOREE Souvenez-vous l année dernière. Mademoiselle! J ai besoin d eau de dakin pour désinfecter la plaie d un patient Cette fiole semble contenir de l eau de Dakin mais je ne suis pas sûre de sa concentration. OBJECTIF DU TP : Déterminer la concentration de la solution d eau de Dakin I. DETERMINATION DE LA GRANDEUR PHYSIQUE A ETUDIER 1. Comment avez-vous procédé l année dernière pour répondre à cette question? 2. La méthode était-elle précise? 3. Quelle grandeur physique, étudiée cette année, relie la concentration à la couleur d une solution? 4. Est-elle proportionnelle ou inversement proportionnelle à la concentration de la solution? 5. Existe-t-il d autres paramètres faisant varier cette grandeur? Si oui, lesquels et dans quel sens? Quantification de l absorption : Afin de pouvoir quantifier l absorption, on utilise une grandeur appelée «absorbance», notée A, qui est sans dimension. L absorbance est mesurée par un instrument appelé «spectrophotomètre» : celui-ci envoie une radiation monochromatique d intensité I 0 sur une cuve contenant la solution, et mesure l intensité I du faisceau qui en ressort. La comparaison de I avec I 0 permet de déterminer l absorbance A de la solution pour la longueur d onde envoyée sur la cuve. 6. Bilan : Donner le nom de la grandeur physique à étudier, les paramètres dont elle dépend ainsi que l instrument qui permet sa mesure

12 II. SPECTRE D ABSORBANCE DU PERMANGANATE DE POTASSIUM 7. Quelles sont les couleurs diffusées et absorbées par la solution magenta de permanganate de potassium? Quel ion est responsable de cette couleur? Manipulation : Réaliser le spectre d absorbance d une solution de permanganate de potassium 8. Déterminer la longueur d onde λ max, Ce résultat est-il cohérent avec votre réponse à Q7? III. DETERMINATION DE LA LOI DE BEER LAMBERT L absorbance d une solution dépend donc des différents paramètres que vous avez mis en évidence. L objectif est de voir s il est possible d établir une loi reliant l absorbance A et ces paramètres. Pour cela, vous allez réaliser une échelle de teinte, c'est-à-dire préparer des solutions diluées en permanganate de potassium, puis mesurer leur absorbance A. Pour une meilleure précision, on mesurera les absorbances en choisissant comme longueur d onde de travail la longueur d onde au maximum d absorption λ max. Remarque : Les cuves du spectrophotomètre étant identiques le paramètre longueur est fixé. Seule la concentration va varier. Manipulation : Préparer 50,0 ml des solutions filles diluées du tableau ci-dessous à partir d une solution mère de concentration molaire C = 5, mol.l -1 en permanganate de potassium (K + (aq) + MnO 4 - (aq)). Solution fille S1 S2 S3 S4 S5 Concentration (mol/l) 2, , , , , Volume à prélever : V m (ml) Absorbance A Après avoir fait le blanc avec le solvant utilisé, mesurer l'absorbance de chacune de ces solutions pour λ = 470 nm et compléter la dernière ligne du tableau. Remarque : On veillera systématiquement à remplir les cuves de spectrophotométrie aux deux tiers maximum de leur hauteur. Commencer par mesurer l'absorbance de la solution la plus diluée et finir par la plus concentrée. 9. Détailler les calculs permettant de déterminer les volumes V m de solution mère à prélever pour préparer les 5 solutions filles.

13 10. Comment évolue l'absorbance de la solution de permanganate de potassium en fonction de sa concentration? 11. Tracer la courbe A = f(c) appelée courbe d étalonnage. BILAN La loi reliant l absorbance aux deux précédents paramètres est appelée «loi de Beer-Lambert». On note ε, le coefficient de proportionnalité : A = ε est appelée coefficient d extinction molaire (constante caractéristique de la substance absorbante pour une longueur d onde de travail donnée), l est la longueur de solution traversée par la lumière et C la concentration molaire de la solution IV. DETERMINATION DE LA CONCENTRATION DE LA SOLUTION D EAU DE DAKIN 12. A l aide de la courbe d étalonnage tracée précédemment, déterminer expérimentalement la concentration de la solution d eau de Dakin. 13. Cette méthode de dosage par étalonnage est-elle plus précise que l échelle de teinte? 14. La masse molaire du permanganate de potassium est M = 158,0 g.mol.l -1 et la concentration massique c m de permanganate de potassium dans la solution de Dakin est égale à 10 mg.l -1. Calculer la concentration molaire théorique C Dakin(théo)

14 THEME OBSERVER CHAPITRE 4 TP7 : SUIVI D UNE TRANSFORMATION CHIMIQUE Objectifs : Suivre l'évolution d'une transformation chimique. Exploiter une équation bilan et prévoir l état du système grâce au tableau d avancement. Connaître l'état d'un système chimique à un instant donné. I. DETERMINATION DE LA TRANSFORMATION CHIMIQUE Manipulation 1 : Mettre un morceau de 1 cm de magnésium (Mg) dans un tube à essais Ajouter une petite quantité d acide chlorhydrique (H + + Cl - ) (sur une hauteur voisine de 3 cm) dans le tube à essais contenant un morceau de magnésium (de longueur 1 cm) Boucher le tube Ouvrir le tube à essais et enflammer une allumette Informations utiles Le gaz formé est du dihydrogène Le numéro atomique du magnésium est Z = 12 Les ions chlorure n interviennent pas dans la transformation, ce sont des ions Ecrire la structure électronique de l atome de magnésium : Donner la formule de l'ion qu il peut former : Donner le nom et la formule des réactifs et les produits de cette réaction chimique Réactifs : Produits : En déduire l'équation-bilan équilibrée de cette réaction II. SUIVI QUANTITATIF DE LA TRANSFORMATION CHIMIQUE On désire prévoir et suivre l avancée, c'est à dire l évolution dans le temps de cette transformation chimique. Matériel : 1 chronomètre 1 morceau de ruban de magnésium 1 solution aqueuse de chlorure d hydrogène ou acide chlorhydrique (H + (aq) + Cl - (aq) ), de concentration en ions hydrogène H + (aq) 1,0 mol.l -1. On utilisera 5,0 ml de cette solution. Matériel divers de verrerie : erlenmeyer éprouvette graduée cristallisoir rempli d eau, bouchon tube à dégagement

15 Légender le schéma du montage Manipulation 2 : Mesurer la masse du ruban de magnésium : m (Mg) = Calculer la quantité de matière de magnésium notée n 0(Mg) (formule - calcul résultat unité) Faire le montage ci-dessus Appeler le professeur pour qu il valide votre montage. Déclencher le chronomètre lorsque le morceau de magnésium tombe dans l acide chlorhydrique Relever toutes les 20 secondes le volume de gaz formé : de t = 0 s à t = 180 s ; puis en fin de réaction (lorsque tout le magnésium a disparu) Compléter la ligne V(H 2) du tableau suivant Données : M (Mg) = 24,3 g.mol -1 t(s) Fin V(H 2) (ml) n(h 2) (mol) En regardant les unités, trouver la formule qui relie ces 3 grandeurs. Le volume : V(H 2) en ml (ou L) La quantité de matière : n(h 2) en mol Le volume molaire : V m = 24,5 L.mol -1 (à 20 C) A partir des valeurs du tableau, calculer la quantité de matière d hydrogène formée et compléter le tableau précédent (3 ème ligne) Comment évolue les autres quantités de matière? (augmentent ou diminuent) Justifier Réaliser un tableau d avancement et déterminer : La composition en quantité de matière du système chimique à t = 0s (on notera n 0(Mg) la quantité de matière initiale de Mg (s)) La composition en quantité de matière du système chimique à un temps t intermédiaire t, voisin de 1 min. Le réactif limitant Un bilan en quantité de matière à l instant final t final Déterminer la masse de magnésium utilisée. Comparer cette valeur à la valeur expérimentale. Quelle est la valeur la plus précise?

16 THEME OBSERVER CHAPITRE 4 EXERCICES EXERCICES D AUTOMATISATION Ex 1 Exploiter un spectre d absorption Le spectre d absorption A = f(λ) d une solution de diiode est tracée ci-contre : 1. La solution de diiode absorbe-t-elle davantage dans le rouge ou dans le bleu? 2. A quelle longueur d onde λ max faut-il régler le spectrophotomètre pour mesurer l absorbance d une solution de diiode avec la meilleure précision possible? 3. Indiquer la couleur d une solution de diiode. Justifier. Ex 2 Tracer une courbe d étalonnage Pour doser par spectrophotométrie une solution jaune de dichromate de potassium, 2 K + 2- (aq) + Cr 2O 7 (aq), on a préparé 5 solutions de concentrations C différentes. La mesure de leur absorbance A pour une longueur d onde de 400 nm, a donné les résultats suivants : C (mmol.l -1 ) 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 Absorbance A 1,48 1,24 0,90 0,59 0,31 1. Justifier la valeur de la longueur d onde choisie 2. Tracer la courbe d étalonnage A = f(c). La loi de Beer Lambert est-elle vérifiée? 3. Une solution de concentration C inconnue a dans les mêmes conditions de mesure une absorbance A = 1,12. En déduire la valeur de la concentration C Ex 3 Exploiter une courbe d étalonnage La droite d étalonnage donnant l évolution de l absorbance en fonction de la concentration d une solution en espèce colorée est donnée ci-dessous : 1. Enoncer la loi de Beer-Lambert 2. Ce graphe est-il en accord avec la loi de Beer Lambert? 3. Déterminer graphiquement la concentration C 1 correspondant à la valeur d absorbance A 1 = 1,0 Ex 4 Interpréter une évolution de couleur Une solution violette de permanganate de potassium est ajoutée à une solution incolore contenant des ions fer (II) Fe 2+ (aq). La seule espèce chimique colorée du système est l ion permanganate de potassium MnO 4 - (aq). 1. Quelle observation montre qu une réaction a lieu? 2. Quelle est la couleur de la solution finale : Si l ion fer (II) Fe 2+ (aq) est le réactif limitant? Si l ion permanganate de potassium MnO 4 - (aq) est le réactif limitant?

17 Ex 5 Compléter un tableau d avancement Les ions cuivre (II) Cu 2+ (aq) réagissent avec les ions hydroxydes HO - (aq) pour former un précipité bleu foncé d hydroxyde de cuivre (II) Cu(OH) 2 (s). Compléter le tableau d avancement ci-dessous en utilisant l avancement x, l avancement maximal x max et les valeurs des quantités initiales : Equation Cu 2+ (aq) + 2HO - (aq) Cu(OH)2 (s) Etat du système Avancement (en mol) n(cu 2+ ) n(oh - ) n(cu(oh)2) Etat initial x = 0 5,0 8,0 0,0 Etat intermédiaire x Etat final x = xmax Ex 6 Utiliser un tableau d avancement Les ocres du Roussillon sont composées, entre autres de silice, d argile et d un pigment minéral coloré, l oxyde de fer (III) de formule brute Fe 2O 3 (s). Ce solide peut être obtenu en faisant réagir à chaud, du métal fer avec du dioxygène. L équation de la réaction est donnée dans le tableau d avancement ci-dessous. 1. Quel est le réactif limitant? 2. Compléter le tableau d avancement en utilisant les valeurs des quantités initiales et les grandeurs x, x max et n 0(O 2). 3. Il se forme 2,0 mol de Fe 2O 3 (s). Quelle est la valeur de x max? 4. En déduire la valeur de la quantité initiale n 0(O 2) 5. Quel est la quantité de fer Fe (s) dans l état final? Equation 4 Fe (s) + 3 O2 (g) 2 Fe2O3 (s) Etat du système Avancement (en mol) n(fe ) n(o2) n(fe2o3) Etat initial x = 0 10,0 0,0 Etat intermédiaire x Etat final x = xmax 0,0 Ex 7 Exploiter un tableau d avancement On donne le tableau d avancement de la réaction entre le métal magnésium, Mg (s) et le dioxygène O 2 (g) : Equation 2 Mg (s) + O2 (g) 2 MgO (s) Etat du système Avancement (en mmol) n(mg) n(o2) n(mgo) Etat initial x = Etat intermédiaire x Etat final x = xmax En déduire le réactif limitant 2. En déduire la valeur de l avancement maximal 3. Déterminer la quantité finale d oxyde magnésium MgO (s)

18 Ex 8 Identifier un réactif limitant On considère l état final d un système chimique pour lequel les quantités des deux réactifs R 1 et R 2 exprimés en mol, sont données ci-dessous : R 1 : 9,0 3x max et R 2 : 8,0 2x max 1. Déterminer les deux valeurs possibles de x max 2. Quelle est la valeur de l avancement maximal x max? 3. Identifier le réactif limitant Ex 9 Etablir l état final d un système En présence d ions hydroxyde HO - (aq) les ions fer (III) Fe 3+ (aq) forment un précipité rouille d hydroxyde fer (III) Fe(OH) 3 (s). Initalement, 6,0 mmol d ions fer (III) réagissent avec 12,0 mmol d ions hydroxyde 1. Ecrire l équation de la réaction avec les nombres stœchiométriques entiers les plus petits possibles 2. Etablir le tableau d avancement de la réaction 3. Calculer la valeur de l avancement maximale x max et en déduire le réactif limitant 4. Calculer les quantités de matière dans l état final Ex 9 Déterminer une quantité de réactif En présence d ions hydroxyde HO - (aq), les ions fer (II) Fe 2+ (aq), réagissent pour former un précipité vert d hydroxyde de fer Fe(OH) 2 (s). Les ions fer (II) constituent le réactif limitant et leur quantité initiale est égale à 5,0 mmol. 1. Compléter le tableau d avancement suivant : Equation Fe 2+ (aq) + 2HO - (aq) Fe(OH)2 (s) Etat du système Avancement (en mol) n(fe 2+ ) n(oh - ) n(fe(oh)2) Etat initial x = 0 Etat intermédiaire x Etat final x = xmax 2. Déterminer l avancement maximal x max 3. Calculer la quantité initiale d ions hydroxyde, n 0(HO - ), qui correspondrait au mélange stœchiométrique Ex 10 Analyser des graphes L hydroxyde d aluminium Al(OH) 3 (s) est un solide blanc qui peut être obtenu lors de la réaction entre les ions aluminium Al 3+ (aq) et les ions hydroxyde HO - (aq). L équation de la réaction est : Al 3+ (aq) + 3 HO - (aq) Al(OH) 3 (s) Les graphes a et b ci-dessous montrent l évolution des quantités de ces ions en fonction de l avancement x, pour deux systèmes chimiques différents : 1. Pour chaque système chimique, déduire des graphes - Les quantités de matière dans l état initial - L avancement maximal - Le(s) réactif(s) limitant(s) 2. L un des deux systèmes correspond-il à un mélange stœchiométrique? Si oui, lequel?

19 Ex 11 Savoir si un mélange initial est stœchiométrique Les phosphates de calcium sont des solides blanchâtres qui composent la partie minérale des os et des dents. Le précipité de phosphate de calcium Ca 3(PO 4) 2 (s) est un solide blanc obtenu en faisant réagir les ions calcium Ca 2+ (aq) avec les ions phosphates PO 4 3- (aq) selon l équation : 3 Ca 2+ (aq) + 2 PO 4 3- (aq) Ca 3(PO 4) 2 (s) 1. Les mélanges initiaux suivants sont-ils stœchiométriques? - 3 mol de Ca 2+ (aq) et 2 mol de PO 4 3- (aq) - 2 mol de Ca 2+ (aq) et 3 mol de PO 4 3- (aq) - 4 mol de Ca 2+ (aq) et 6 mol de PO 4 3- (aq) 2. La relation de stœchiométrie s écrit-elle : n 0 (Ca 2+ ) 3 = n 0(PO 4 3 ) 2 ou n 0 (Ca 2+ ) 2 = n 0(PO 4 3 ) 3 ou 2n 0 (Ca 2+ ) = 3n 0 (PO 4 3 ) EXERCICES D ANALYSE Ex 12 Etude d un antiseptique Le Lugol est une solution aqueuse de diiode I 2 (aq) espèce chimique de couleur orangée utilisée comme antiseptique et comme compresseur des vaisseaux sanguins de la thyroïde en cas d ablation. On souhaite déterminer la concentration de diiode de cette solution à l aide d un spectrophotomètre. On dispose de 6 solutions aqueuses de diiode de concentrations C différentes. Parmi les espèces chimiques présentes dans le Lugol le diiode est la seule espèce chimique qui absorbe à 500 nm.la mesure de l absorbance A de chaque solution est donc réalisée à cette longueur d onde. Le spectrophotomètre peut mesurer des absorbances de A 0 = 0,00 à A max = 2,00. Les résultats obtenus permettent de tracer la droite d étalonnage A = f(c) ci-contre : 1. La loi de Beer Lambert A = k.c est-elle vérifiée? On note C max la concentration molaire en diiode au-delà de laquelle l absorbance d une solution de diiode n est pas mesurable avec ce spectrophotomètre. 2. Déterminer la valeur de C max Pour déterminer la concentration molaire en diiode du Lugol, on dilue dix fois la solution commerciale S 0. La solution obtenue est notée S 0. On mesure son absorbance A(S 0 ) = 1,00 3. Déterminer la concentration C 0 en diiode de la solution S 0 4. En déduire la concentration C L en diiode du Lugol 5. Pourquoi a-t-il été nécessaire de diluer le Lugol? Ex 13 Dosage de la caféine Afin de déterminer la concentration en caféine dans deux tasses de café de provenances différentes, notées boisson 1 et boisson 2, on prépare des solutions des solutions de caféine de différentes concentrations massiques t : 4 mg.l -1, 8 mg.l -1, 12 mg.l -1, 16 mg.l -1 et 32 mg.l -1 On a tracé ci-contre le spectre d absorption de la caféine entre 210 nm et 320 nm pour une des solutions de caféine.

20 1. A quel domaine de radiations appartiennent ces longueurs d onde? On trace la courbe d étalonnage A =f(t) de la caféine à l aide des différentes solutions précédemment préparées. On obtient la courbe ci-contre : 2. A quelle longueur d onde λ faut-il se placer pour réaliser les mesures d absorbance les plus précises? Sans changer les réglages du spectrophotomètre on mesure les absorbances des boissons 1 et 2. On trouve A 1 = 0,17 pour la boisson 1 et A 2 = 0,53 pour la boisson Quel est le café le «plus excitant» pour le consommateur? Quelle est sa concentration massique en caféine? Ex 14 Etude d une solution colorée pour bain de bouche Un spectrophotomètre réglé sur la longueur d onde λ = 640 nm, a permis de mesurer l absorbance de solutions de bleu de patenté de concentrations C connues Solutions S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 C (µmol.l -1 ) 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 A 0,064 0,133 0,194 0,255 0,319 Dans les mêmes conditions, une solution S pour bain de bouche, contenant le colorant bleu patenté comme seule espèce colorée, a une absorbance A = 0, Tracer la courbe d étalonnage 2. Déterminer la concentration C S en bleu patenté de la solution S 3. Le spectre d absorption d une solution de bleu patenté est donné cicontre. Justifier le choix de la longueur d onde Ex 15 Construire un tableau d avancement Un mélange est constitué de 0,60 mol de poudre d aluminium, Al (s) et de 0,30 mol de poudre de soufre S (s) est enflammé. Il se forme du sulfure de d aluminium Al 2S 3 (s) selon la réaction d équation : 2 Al (s) + 3 S (s) Al 2S 3 (s) Construire et compléter le tableau d avancement associé à la réaction Ex 16 Etablir l état final d un système-bis Les ions iodure I - 2- (aq) réagissent lentement avec les ions peroxodisulfates S 2O 8 (aq) pour former du diiode I 2 (aq) et des 2- ions sulfates SO 4 (aq) selon l équation : 2 I - (aq) + S 2O (aq) I 2 (aq) + 2 SO 4 (aq) On verse dans un bécher 50 ml de solution incolore de peroxodisulfate de potassium de concentration 0,1 mol.l -1. On ajoute 50 ml de solution incolore de iodure de potassium de concentration 0,50 mol.l -1. La seule espèce chimique colorée du système est le diiode de couleur jaune 1. Représenter l évolution de la couleur du mélange au cours du temps 2. Calculer les quantités de initiales des réactifs 3. Etablir le tableau d avancement de la réaction 4. Calculer la valeur de l avancement maximale x max et en déduire le réactif limitant 5. Calculer les quantités de matière dans l état final Ex 17 L arbre de Diane Dans un tube à essais, on verse un volume V= 5,0 ml de solution de nitrate d argent, Ag + - (aq) + NO 3 (aq) de concentration molaire en ions argent C = 0,20 mol.l -1. On immerge partiellement un fil de cuivre. La masse de la partie immergée est égale à m = 0,52 g. Le fil de cuivre se recouvre progressivement d un gris d argent métallique, appelé arbre de Diane et la solution bleuit. L équation de la réaction qui a lieu entre les ions argent et le métal s écrit : 2 Ag + (aq) + Cu (s) 2 Ag (s) + Cu 2+ (aq)

21 1. Calculer en mmol les quantités initiales des réactifs 2. Construire un tableau d avancement et déterminer le réactif limitant 3. Déterminer la quantité puis la masse d argent déposé sur la partie immergée du fil de cuivre en fin de réaction Ex 18 Les saphirs Les saphirs sont des pierres précieuses constituées de cristaux d oxyde d aluminium. Des impuretés, à l état de traces, leur donnent leur couleur (titane et fer pour le bleu, vanadium pour le violet, chrome pour le rose, fer pour le jaunet et le vert). L oxyde d aluminium Al 2O 3 (s) peut être obtenu en faisant réagir à chaud du métal aluminium Al (s) de masse molaire M = 27g.mol -1 avec du dioxygène O 2 (g). Au cours d une réaction chimique, une masse m(al) d aluminium a totalement réagi dans un excès de dioxygène. Il se forme 0,25 mol d oxyde d aluminium. 1. Ecrire l équation de réaction 2. Construire le tableau d avancement 3. A partir de la quantité finale d oxyde d aluminium formée, déterminer l avancement maximal x max 4. En déduire la quantité d aluminium correspondante 5. Calculer la masse m(al) d aluminium consommée Ex 19 Décomposition d un solide par chauffage L hydrogénocarbonate de sodium NaOHCO 3 (s) est un solide blanc. Par chauffage, il se décompose selon l équation : 2 NaOHCO 3 (s) Na 2O (s) + 2 CO 2 (g) + H 2O (l) Une masse initiale m = 2,2 g d hydrogénocarbonate de sodium est totalement décomposé par chauffage 1. Calculer la valeur de la quantité initiale n 0(NaOHCO 3) 2. Construire le tableau d avancement de la réaction et en déduire la valeur de l avancement maximale 3. Calculer les quantités des produits dans l état final 4. Calculer la masse d oxyde de sodium formé EXERCICES D APPROFONDISSEMENT Ex 20 Réaction entre l acide oxalique et les ions permanganate Une solution incolore d acide oxalique de formule H 2C 2O 4 (aq) est mélangée à une solution violette de permanganate de potassium en milieu acide. La seule espèce colorée du système étudié est l ion permanganate MnO 4 - (aq) de couleur violette. Dans l état initiale, la couleur de la solution est violette puis rose puis incolore dans l état final. Initialement on a mélangé un volume V 1 = 20,0 ml de solution d acide oxalique à la concentration C 1 = 0,50 mol.l -1 avec un volume V 2 = 5,0 ml d une solution acidifiée de permanganate de potassium de concentration C 2 = 0,40 mol.l -1 en ion permanganate. L acide est en excès et l eau constitue le solvant de la solution. Le tableau d avancement de la réaction est donné ci-dessous : Equation 2 MnO4 - (aq) + 5 H2C2O4 (aq) + 6 H + (aq) 2 Mn 2+ (aq) + 10 CO2 (g) + 8 H2O (l) Etat du système Avancement (en mol) n(mno4 - ) n(h2c2o4) n(h + ) n(mn 2+ ) n(co2) n(h2o) Etat initial x = 0 n2 n1 excès Etat intermédiaire x excès Etat final x = xmax excès 1. Quel est le réactif limitant? 2. Calculer les quantités n 1 et n 2 en mol 3. Compléter littéralement le tableau d avancement et déterminer le réactif limitant 4. Justifier que la couleur finale prise la solution est cohérente avec la nature du réactif limitant