Hydrogène 1 g.mol 1 Carbone 12 g.mol 1 Azote 14 g.mol 1 Oxygène 16 g.mol 1. Conductivité de l eau pure à 25 C σ = 5, S.m 1.

Transcription

1 Pressn atmsphérque P atm 1 5 Pa = 1 bar = 76 mm Hg Masse mlare de l ar M ar = 29 g.ml 1 Vlume mlare des gaz à C et 1 atm 22,4 L.ml 1 Vlume mlare des gaz à 25 C et 1 bar 24,8 L.ml 1 Cnstante des gaz parfats R = 8,314 J.ml 1.K 1 Hydrgène 1 g.ml 1 Carbne 12 g.ml 1 Azte 14 g.ml 1 Oxygène 16 g.ml 1 Cnductvté de l eau pure à 25 C σ = 5,5.1 6 S.m 1. 1 Cnductvté à 25 C KCl,1 ml.l :1,288 S.m 1 Cnductvté nque mlare lmte λ (ms.m 2.ml 1 ) Cnductvtés nques mlares lmtes à retenr Lngueur d nde du vsble UV H 3 O + : 35, HO : 19,9 Na + : 5, Cl : 7,6 Mg 2+ : 1,7 CO 2 3 : 13,9 λ + = 35 ms.ml 1.m 2 λ HO 3 λoh = 2 ms.ml 1.m 2 = z λ = 4 à 9 ms.ml 1.m 2 n n eq, n λ = 4 à 8 nm prche de 2 à 4 nm lntan de 1 à 2 nm Ceffcent d absrptn mlare ε = à 1 6 ml 1.L.cm 1 Largeur d une cuve =1 cm

2 Énerge de lasn cvalente Énerge de lasn de Van-der-Waals 1 8 kj.ml 1 1 1kJ.ml 1 Énerge de lasn hydrgène 1 5 kj.ml 1 Énerge de lasn par nuclén 1 9 MeV (myenne de 8 MeV) 1 ev 1, J 965 J.ml 1 Énerge du nveau fndamental de l atme d hydrgène 13,6 ev Énerge d nsatn 5 2eV 1. Défnr les dfférents états de la matère : gaz, lqude, slde (crstalln, amrphe, varété alltrpque), mésmrphe et plasma. 2. Défnr la ntn de phase. Les systèmes suvants frment-ls une u pluseurs phases : l hule et l eau ; un mélange de gaz ; l eau et l éthanl ; une menthe à l eau ben agtée ; une menthe à l eau nn agtée dans laquelle le srp est plus cncentré au fnd du verre? 3. Quelles dfférences y a-t-l entre une transfrmatn physque, chmque et nucléare? 4. Dnner le dagramme ( PT, ) d équlbre de changement d état de l eau et le cmmenter. 5. Qu appelle-t-n radactvté? Décrre les quatre types de radactvté α, β, β γ. Précser la défntn des termes fssn et fusn. + et 6. À partr d une réactn mdèle (la cmbustn du prpane) et de cncentratns ntales, défnr l avancement d une réactn pus le taux de cnversn par rapprt à un réactf. Dans quels cas est-l ntéressant de défnr un taux de cnversn? 7. Défnr la ntn de réactf lmtant (u en défaut). Quel est le réactf lmtant lrsqu n ntrdut 17 g d ammnac (NH 3 ) avec 32 g de dxygène pur frmer de l eau et du mnxyde d azte (NO)? En dédure les masses des dfférents cmpsés à l état fnal en suppsant la réactn ttale.

3 8. Précser les relatns qu exstent entre la pressn partelle d un cnsttuant, sa cncentratn, sa fractn mlare et la pressn ttale, pur un système fermé en phase gazeuse cnsdéré cmme un mélange déal de gaz parfats. 9. Dnner un exemple de quatre grandeurs ntensves défnssant un système physcchmque, pus fare de même avec quatre grandeurs extensves. Rappeler la défntn de ces termes. 1. Défnr la masse mlare myenne d un mélange gazeux, retruver la valeur de la masse mlare de l ar à partr de sa cmpstn (apprxmatvement 2 % de O 2 et 8 % de N 2 ). Quelle est la masse mlare d un gaz dnt la densté est 3? 11. Explcter l actvté chmque d un cnsttuant physc-chmque dans les dfférents cas rencntrés. 12. Défnr la cnstante thermdynamque d équlbre pur l équatn N = ν A (ù les ν snt les ceffcents stechmétrques algébrsés). Cmment prévr l évlutn d un système physc-chmque? 13. En cnsdérant les réactns chmques suvantes en slutn aqueuse : (1) A B de cnstante K 1 et (2) 2B C de cnstante K2 détermner les cnstantes thermdynamques des équlbres : (3) B A et (4) 2A C = Rappeler les ls de Beer-Lambert et Khlrausch. Précser les untés des grandeurs emplyées dans ces dfférentes ls. 15. Défnr le ph pus le poh dans l eau. Quelle relatn les le? Qu appelle-t-n mleu neutre? Mleu acde? Mleu basque? Cmment mesure-t-n expérmentalement le ph? Attentn aux untés des grandeurs physques emplyées ; par exemple en manmétre l unté légale de pressn est le Pascal (Pa). Pur évter de se perdre dans les changements d untés, l est ntéressant d écrre des rapprts de grandeurs afn d btenr des termes admensnnés ; par exemple écrre P/P permet d utlser n mprte quelle unté à cndtn de garder la même pur P et P. S cela n est pas pssble, l faut veller à utlser les untés

4 fndamentales du système nternatnal ; par exemple : PV = nrt ; pressn P en Pa ; vlume V en m 3 ; quantté de matère n en ml ; température T en K ; R = 8,314 J.ml 1.K 1. Les méthdes expérmentales repsent sur des ls lnéares, l n est dnc pas ndspensable de cnnaître la valeur des dfférentes cnstantes (ex. spectrphtmétre ε(λ) u cnductmétre λ ) pusque ces dernères peuvent dsparaître en utlsant des rapprts admensnnés. Il est cnsellé de travaller avec des avancements dnt la dmensn est la même que celle de la grandeur physque utlsée pur décrre les cndtns ntales (quantté de matère n : avancement ξ en mle ; cncentratn c : avancement vlumque x en ml.l 1 ). S la cmpstn du système est dnnée par les quanttés de matère, l est ntéressant de paramétrer l avancement de la réactn avec l avancement mlare ξ (grandeur extensve). Dans le cas ù les réactfs snt ntrduts en prprtns stechmétrques, l est plus cmmde d utlser le taux d avancement τ u de dsscatnα (grandeurs ntensves). Dans l étude des équlbres en phase gazeuse, l est mpératf de cnsdérer la quantté ttale de gaz : n tg qu ntervent dans l expressn des pressns n partelles : ( P = xp = P) est dnc dans l expressn de la cnstante n d équlbre. tg Lrs de la détermnatn numérque de l avancement de la réactn, vérfer la chérence de la valeur dnnée par la calculatrce. Le résultat peut être négatf, cela sgnfe que la réactn évlue en fat dans le sens ndrect. En revanche, l ne peut pas cndure à des quanttés de matère négatves. La cmpstn mlare (en nmbre de mlécules) de l ar est habtuellement prse égale à 4/5 ème de dazte et 1/5 ème de dxygène. Généralement K 1 mplque un état d équlbre frtement déplacé vers les prduts et K 1 suppse que l état d équlbre est plutôt en faveur des réactfs, néanmns seule la cmparasn de la cnstante thermdynamque K avec le qutent réactnnel Q permet de cnclure. Par exemple l hydrlyse de l ATP (vr questn 23.) présente une cnstante K = 6,5.1 2 mas avec le chx des cncentratns ntales (et surtut le ph), le système évlue quanttatvement dans le sens des prduts. Dans le cas de réactns fasant ntervenr une espèce slde, n ne peut écrre la cndtn d équlbre K = Q que s le slde est réellement présent même en quantté nfme.

5 Les blans de matères en slutn peuvent drectement être effectués en cncentratn. Dans le cas ù des espèces sldes ntervennent, l peut être préférable d utlser un blan mlare. Dans le cas ù des phases de vlumes dfférents ntervennent, l faut mpératvement effectuer un blan en termes de quantté de matère. 16. Le Slel, prncpalement cnsttué d hydrgène, a une masse de kg et n estme qu une fractn de 1 % de cette masse, stuée au ceur du Slel, est assez chaude (T = K) pur subr la fusn nucléare : H 2He+ 21e + 2γ, lbérant une pussance de W. Estmer la durée de ve du Slel. On dnne les masses mlares : M H = 1,78 g.ml 1 et M He = 4,26 g.ml Asscer les réactns suvantes à leur énerge : CH CH HO HO He α + 2 e ; 2 He He + 2 H 4( q) 4( gaz) ; 2 ( q) 2 ( gaz) ; ,26 MJ.kg 1 ; 8,2 kj.ml 1 ; 79 ev ; 12,9 MeV? Précser s l s agt d une énerge lbérée par la réactn u nécessare à sa réalsatn. 18. Équlbrer les réactns suvantes : MnSO4 = Mn3O4 + SO3 + SO Cu + NO + H = NO + Cu + H O ; IO3 + I + H = I2 + H 2O On étude la réactn suvante : 2NO + O 2 N 2 O 4 dans un réacteur fermé. À l nstant ntal, le système a la cmpstn suvante :,5 mle de NO ;,7 mle de O 2 ;,2 mle de N 2 O 4. Quel est le réactf lmtant? Au but d un temps t, l reste,3 mle de NO. Quel est l avancement ξ de la réactn attent à ce temps? Quel est le taux de cnversn (de transfrmatn) τ du réactf lmtant? Quelles quanttés de O 2 et de N 2 O 4 snt présentes dans le système à ce mment? À quelle valeur de l avancement ξ crrespnd le taux d avancement τ = 9 %? 2. Au fnd d une butelle fermée de 1 ltre, l reste 1 ml de vn à 12 (st 12 g d éthanl pur). En s xydant, l éthanl se transfrme en acde acétque (vnagre) seln la réactn C 2 H 5 OH + O 2 CH 3 COOH + H 2 O à 25 C. La quantté d ar enfermé dans la butelle est-elle suffsante pur permette l xydatn de la ttalté de l alcl?

6 21. On s ntéresse à la réactn 2N 2 O 5 4NO 2 + O 2 en phase gazeuse. Exprmer la pressn P à un nstant t en fnctn de la pressn ntale P et du taux de décmpstn α. 22. Les ns mercure (II) Hg 2+ peuvent réagr avec le mercure Hg pur dnner des ns mercure (I) Hg + seln la réactn chmque de cnstante K = 91 à 25 C : 2 2 Hg + Hg Hg ( aq) ( ) 2( aq) Le mercure, seul métal lqude à 25 C, n est pas sluble dans l eau. Cmment évlue un système btenu en mélangeant du mercure lqude en excès avec 4, ml d une slutn de chlrure de mercure (I) à c 1 = 1,.1 3 ml.l 1 et 1, ml d une slutn de chlrure de mercure (II) à c 2 = 2,.1 3 ml.l 1? Détermner la cmpstn fnale de la slutn. 23. Lrs d un effrt, le muscle puse sn énerge dans la transfrmatn du glucse en pyruvate durant le prcessus de glyclyse. En présence de suffsamment de dxygène dans la cellule, le pyruvate peut être xydé en CO 2 et H 2 O pur lbérer encre plus d énerge. Dans des cndtns extrêmes, le sang n est plus capable de furnr suffsamment de dxygène et le muscle prdut alrs du lactate seln : Pyruvate + NADH + H + Lactate + NAD + K = 2, Dans la cellule les cncentratns snt les suvantes : à ph = 7 (tampnné) : Pyruvate 38 ml.l 1, NADH 5 ml.l 1, Lactate 37 ml.l 1, NAD + 54 ml.l 1. Cmment évlue le système? Détermner les cncentratns à l équlbre. 24. On étude l équlbre : 4HCl (g) + O 2(g) 2Cl 2(g) + 2H 2 O (g) à une température T. Le mélange ntal est équmlare en HCl et O 2. La pressn ttale est fxée à 1 bar. St τ le rapprt de la quantté de matère (exprmée en mles) de HCl dsparu à l équlbre sur la quantté de matère (exprmée en mles) de HCl ntal. On mesure τ =,8. Exprmer la cnstante d équlbre K ( T ) en fnctn de τ et la calculer. 25. On étude en phase gazeuse l équlbre de dmérsatn : 2FeCl 3 Fe 2 Cl 6 à T 1 = 7 K sus la pressn standard. La densté du mélange gazeux vaut d = 1,5 à l équlbre. Sachant qu ntalement la densté de FeCl 3 vaut d = 5,6, calculer la cnstante d équlbre à T L une des méthdes de synthèse ndustrelle de la prpanne cnsste à réalser la déshydrgénatn en phase gazeuse du prpan-2-l seln la réactn blan : CH 3 CHOHCH 3(g) CH 3 COCH 3(g) + H 2(g) de cnstante K = 3,5 à T = 67 K. Industrellement, la réactn est réalsée en présence d un catalyseur slde à la température T et sus une pressn ttale P = 2 bar. Calculer les pressns partelles

7 à l équlbre des dfférents gaz sachant que l n part de prpan-2-l pur. Quelle est l nfluence du catalyseur sur la pstn d équlbre? 27. Pur la réactn CO( g) + H 2 O( g) CO2( g) + H 2( g), K vaut,31 à 15 K et 1,28 à 9 K. Cmment évlue un système cntenant une mle de CO, une mle d eau, une mle de dhydrgène et une mle de dxyde de carbne CO 2 sus un bar à 15 K pus à 9 K? Quel est l état fnal du système qu cntent ntalement une mle de mnxyde de carbne et une mle d eau à 15 K sus une pressn de 1 bar? Cmment est mdfé l état d équlbre s, tutes chses égales par alleurs, n mdfe la pressn P? 28. On effectue l équlbre de Deacn : 4HCl (g) + O 2(g) 2Cl 2(g) + 2H 2 O (g). Le mélange ntal est équmlare en HCl et O 2. La pressn ttale est fxée à 1 bar. 136 La cnstante d équlbre vérfe la relatn : ln K ( T) = 15,5. T Calculer le taux de cnversn τ de la réactn à 7 K sus 1 bar. Sus 1 bar, à quelle température btent-n un taux de cnversn de 99 %? 29. Sur une butelle d eau l étquette ndque : «L eau xygénée stablsée à 11 vlumes cntent envrn 3 % en pds de perxyde d hydrgène et est susceptble de dégager envrn 11 fs sn vlume de dxygène gazeux dans les cndtns nrmales de température (273 K) et pressn (1,13 bar)». Détermner la cncentratn en H 2 O 2 et le purcentage précs en masse sachant que la densté de la slutn est 1, En passant du gaz butane au gaz de vlle (prncpalement du méthane), l est nécessare de changer les gcleurs en augmentant leur damètre. Explquer. Quel avantage présente le gaz de vlle par rapprt au butane en termes de sécurté? 31. Quelques spélélgues utlsent encre des lampes à acétylène (éthyne C 2 H 2 ) ; le cmbustble est btenu par actn du carbure de calcum (C 2 Ca) sur l eau. Cette réactn est ttale et frme également de l hydrxyde de calcum. Sachant qu une heure de spélélge nécesste 8 L de gaz à C et 1 atm, détermner les masses de carbure de calcum et d eau nécessares ( M Ca = 4 g.ml 1 ). 32. On étude l équlbre hétérgène suvant, à la température de 1 K : UO 2(s) + 4 HF (g) UF 4(s) + 2H 2 O (g) : K (1 K) = 9. On mélange à 1 K, sus une pressn mantenue cnstante et égale à 1 bar, 1 mle de HF et 1 mle de UO 2. Détermner la cmpstn fnale du système. Quelle est la cmpstn du système lrsque, dans les mêmes cndtns, n mélange 1 mle de HF et,1 mle de UO 2?

8 33. Slutn de Pb(II) a) On suhate préparer une slutn aqueuse de cncentratn C = 1 1 ml.l 1 de Pb 2+. Le labratre dspse de ntrate de plmb Pb(NO 3 ) 2 slde, d une fle jaugée de 5 ml, d un bécher gradué de 25 ml et d une pssette d eau dstllée. Quelle quantté de ntrate de plmb dt-n peser? Décrre la sute des pératns à effectuer pur btenr la slutn suhatée. b) On veut mesurer le ph de la slutn btenue. On dspse d un ph-mètre/mvmètre électrnque et de la sére d électrdes suvantes : électrde d argent, électrde au calmel saturée, électrde standard à hydrgène, électrde de platne, électrde de plmb, électrde de verre smple. Quelles snt les deux électrdes qu permettrnt cette mesure? c) On acdfe la slutn, sans dlutn ntable, avec un acde frt cncentré. Quel acde est-l naturel d utlser? Dnnées : Masse mlare de Pb(NO 3 ) 2 : 331,2 g.ml Dnner des exemples mntrant que la radactvté est présente dans ntre ve qutdenne. 35. Bleu de méthylène Le bleu de méthylène (c-cntre) u chlrure de méthylthnnum trhydraté (de frmule N C 16 H 18 ClN 3 S,3(H 2 O) et de masse mlare Cl mléculare 373,9 g.ml 1 ) est un cmpsé rganque utlsé en médecne u cmme clrant. Il est présent dans le cllyre guttes bleues sus frme d hydrxyde de méthylthnnum (31,35 g.ml -1 ). N S N a) Justfer brèvement le fat que cette mlécule st clrée. b) À partr d une slutn mère de bleu de méthylène de cncentratn massque c = 5, mg.l 1, n réalse une échelle de tentes cnsttuée par 1, ml de chaque slutn flle suvante : Numér de la slutn Cncentratn massque (mg.l -1 ),5 1, 2, 3, 4, 5, Quelle est la verrere adaptée à la réalsatn de dlutns? S agt-l de verrere ex u n stu? c) À l ade du spectrphtmètre, n réalse le spectre d absrptn du bleu méthylène de cncentratn c = 35, μml.l -1, c-dessus :