4. a. Que veut-on vérifier par l'ajout d'acide chlorhydrique. Si tous les ions argent ont été consommés.

Transcription

1 Exercice 1. Équilibre d'oxydoréduction On mélange un volume 1 = 10,0 ml de solution aqueuse de sulfate de fer (II), de concentration en soluté apporté C 1 = 1, mol.l -1, avec un volume 2 = 10,0 ml de solution aqueuse de nitrate d'argent (I), de concentration en soluté apporté C 2 = 1, mol.l -1. Le mélange est laissé sous agitation pendant 10 minutes. On filtre ensuite le mélange et on obtient de l'argent Ag (s). Dans le filtrat, on ajoute quelques millilitres d'acide chlorhydrique, on obtient alors un précipité blanc noircissant à la lumière. 1. a. Donner les formules des solutions aqueuses de nitrate d ' argent (I) et de sulfate de fer (II). Ag + (aq NO - 3(aq et Fe 2+ (aq) + SO 2-4 (aq À l'aide des couples oxydant / réducteur figurant dans les données, écrire l'équation de la réaction qui se produit dans le mélange. Ag + (aq + e - = Ag (s) Fe 2+ (aq) = Fe 3+ (aq) + e - Ag + (aq + Fe 2+ (aq) = Ag (s) + Fe 3+ (aq) 2. Calculer les concentrations initiales en ions fer (II) et en ions argent (I) dans le mélange. [Fe 2+ ] i = C = C 1 2 *Fe2+ ] i = 5, mol.l -1 [Ag + ] i = C = C 2 2 *Ag+ ] I = 5, mol.l Construire le tableau descriptif de l'évolution du chimique et donner la valeur de l'avancement maximal. équation de la réaction Ag + (aq) + Fe 2+ (aq) = Ag (s) + Fe 3+ (aq) avancement n(ag + ) n(fe 2+ ) n(ag) n(fe 3+ ) état initial 0 C 2 2 C 1 1 état final x éq C 2 2 x éq C 1 1 x éq x éq x éq 4. a. Que veut-on vérifier par l'ajout d'acide chlorhydrique. Si tous les ions argent ont été consommés. Page 1

2 b. Quelle hypothèse peut-on formuler à l'issue de ce test? Le précipité de chlorure d argent AgCl(s) montre la présence d ions argent. La transformation n est donc pas totale. 5. À l'équilibre, les concentrations sont les suivantes: [Fe 3+ ] éq = 1, mol.l -1 [Fe 2+ ] éq = [Ag + ] éq = 3, mol.l -1 a. Donner l'expression littérale du quotient de réaction à l'équilibre. Q r,éq = [Fe 3+ ] éq [Fe 2+ ] éq [Ag + ] éq b. Calculer la valeur de la constante d'équilibre K associée à cette réaction. Q r,éq = K = 1, ( 3, ) ² = 16,8 c. Calculer le taux d'avancement final. Les réactifs ont été mélangés dans les proportions de leurs nombres stœchiométriques donc x max = C 1 1 = C 2 2 x max = 1, , mol ; x max = 1, mol =1,00 mmol. x f = n f(fe 3+ ) = [Fe 3+ ] éq ( ) x f = 1, = 3, mol ; x f = 3, mmol. = x f = 3, = 35,2 % x max 1,00 d. Quelle masse d'argent peut-on récupérer sur le filtre? m(ag) = n f (Ag) M(Ag) = x f M(Ag) m(ag) = 3, ,9 = 38,0 mg Données : Couples oxydant / réducteur: Fe 3+ (aq) / Fe 3+ (aq) ; Ag + (aq) / Ag (s) ; Masse molaire atomique : M(Ag) = 107,9 g.mol -1. Exercice 2. Transformation totale ou limitée On mesure les conductances de solutions aqueuses d'acide acétique CH 3 CO 2 H (solution 1) et d ' acide fluorhydrique HF (solution 2). Les concentrations de soluté apporté de ces deux solutions acides sont égales : c = 1, mol L -1 et le volume des solutions est = 100 ml. La constante de cellule k du conductimètre est égale à 1, m. On obtient les mesures suivantes : G 1 = 4, S et G 2 = 2, S à 25 C. 1. Écrire les équations chimiques des réactions de chaque acide aqueux avec l'eau. CH 3 CO 2 H(aq) + H 2 O(l) = CH 3 CO - 2(aq) + H 3 O + (aq) HF(aq) + H 2 O(l) = F - (aq) + H 3 O + (aq) 2. Page 2

3 a. Construire le tableau d avancement général de la transformation d'un acide noté AH avec l'eau. équation de la réaction AH (aq) + H 2 O(l) = A - (aq) + H 3 O + (aq) avancement n(ah) n(h 2 O) n(a - ) n(h 3 O + ) état initial 0 C grande état final x éq C x éq grande x éq x éq b. Quel est l'avancement maximal des deux réactions? Si la réaction était totale, tout l acide serait consommé donc x max = C 3. À l'aide des conductances mesurées, calculer les avancements à l'équilibre et les taux d'avancement finaux. G = kσ =k{ λ A - [A - ] éq + λ H3 O+ [H 3 O + ] éq } Or d après le tableau : [A - ] éq = [H 3 O + ] éq donc G = kσ = k{ λ A - + λ H3 O+ } [H 3 O + ] éq = x éq = G k{ λ A - + λ H3 O+ } τ = x éq G = x max kc{ λ A - + λ H3 O+ } k{ λ A - + λ H3 O+ } x éq avec C en mol.m -3 τ 1 = τ 2 = 4, , ,00 (40, , ) = 12,5 % 2, , ,00 (55, , ) = 54,0 % 4. Les transformations des deux acides avec l'eau sont-elles totales ou limitées? Elles sont limitées : τ < 1 5. Quel est le ph des deux solutions. [H 3 O + ] éq = x éq = G λ A - + λ H3 O+ k{ } [H 3 O + 4, ] 1éq = 1, (40, , ) = 1, mol.m -3 [H 3 O + ] 1éq = 1, mol.l -1 ph 1 = -log[h 3 O + ] 1éq = 3,9 H 3 O + 2, ] 2éq = 1, (55, , ) = 5, mol.m -3 [H 3 O + ] 1éq = 5, mol.l -1 ph 1 = -log[h 3 O + ] 1éq = 3,3 Page 3

4 K 1 = K 2 = 6. Donner les expressions des quotients de réaction et en déduire une valeur expérimentale des constantes d'équilibre associées aux réactions. Q r = [ A - ] [ H 3 O + ] [ AH] ( 1, ) ² 1, , = 1, ( 5, ) ² 1, , = 5, et K = Q r,éq = [ ] Données. Conductivités molaires ioniques à 25 C : λ F - (aq) = 55, S.m 2.mol -1 ; λ H3 O- (aq) = 349, S m 2.mol -1 ; λ CH3 CO 2 - (aq) = 40, S.m 2.mol -1. Exercice 3. Transformation totale ou limitée. A - éq [ H 3 O + ] [ AH ] éq éq = [ H 3 O + ] ² éq C -[ H 3 O + ] éq 1. L'acide acétylsalicylique ou aspirine est un acide de formule C 9 H 8 O 4 noté HA. Écrire l équation de la réaction entre cet acide et l eau et donner l'expression de sa constante d équilibre. AH (aq) +H 2 O (l) = A - (aq) + H 3 O + (aq) K = [A- ] éq [H 3 O + ] éq [AH] éq 2. On considère un volume = 100,0 ml de solution d'acide acétylsalicylique de concentration apportée C = 5, mol.l -1. Exprimer les concentrations molaires des espèces en solution en fonction de l'avancement de la réaction dans l'état d'équilibre x éq. équation de la réaction AH (aq) + H 2 O(l) = A - (aq) + H 3 O + (aq) avancement n(ah) n(h 2 O) n(a - ) n(h 3 O + ) état initial 0 C grande état final x éq C x éq grande x éq x éq [AH] éq = C- x éq = C x éq ; [A- ] éq = [H 3 O + (] éq = x éq 3. A l'aide de la constante d'équilibre K, montrer que x éq est solution d une équation du second degré. Page 4

5 K = [A- ] éq [H 3 O + ] éq [AH] éq x éq ² = K C x éq = ² x KC - K éq = ² C x éq x² éq + Kx éq - KC² = 0 4. Connaissant la valeur de K = 3, à 25 C, résoudre cette équation et donner la valeur de x éq. x² éq + 3, , x éq - 3, , ( ) x² éq + 3, x éq - 1, = 0 Solution positive : x éq = 1, mol. 5. En déduire la valeur du ph de la solution. ph = -log[h 3 O + ] 1éq = - log x éq = - log x éq 1, ,100 = 2,95 x éq 100, ²= 0 Page 5