DM1. Chimie des solutions (révisions PCSI)

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1 DM1 Chimie des solutions (révisions PCSI) A rendre le vendredi 12 septembre 2014 Problème 1 : On cherche à tracer le diagramme potentiel-ph de l iode pour une concentration de tracé, concentration totale atomique en élément iode C = 0;001mol.L -1. Sur la frontière entre deux espèces dissoutes, les concentrations atomiques sont égales. Sur le diagramme donné en annexe, à rendre avec la copie, les droites frontières pour les couples IO 3 - / I 2 (aq) ; I 2 (aq) / I. ; IO 3 - / I - sont tracées. Dans cette partie, on néglige les ions triiodure I Retrouver par le calcul l équation de la droite frontière pour le couple I 2 (aq) / I. Identifier cette droite sur le diagramme Retrouver les coefficients directeurs des droites frontières pour le couple IO 3 - / I 2 (aq) d une part, pour le couple IO 3 - / I - d autre part. Identifier les droites correspondantes du diagramme Indiquer laquelle des espèces peut subir une dismutation. Écrire l équation de cette réaction de dismutation en milieu acide d une part, en milieu basique d autre part. Calculer, dans chaque cas, la constante de réaction. Conclure En justifiant brièvement, terminer le diagramme potentiel-ph de l iode : tracer en trait plein les frontières utiles, préciser les domaines de prédominance des différentes espèces Indiquer les espèces stables en solution aqueuse, justifier. Détermination du degré d insaturation d une huile végétale Une alternative aux phtalates utilisés comme plastifiants dans l industrie des polymères organiques est de les remplacer par des diesters formés entre l isosorbide et des acides gras. Les acides gras sont obtenus par saponification des huiles végétables. Ce sont des acides carboxyliques à longue chaîne hydrocarbonée pouvant présenter des doubles liaisons C=C. Ces insaturations sont sensibles à l oxydation et il importe de connaître le nombre d insaturations de l huile qui fournira les acides gras. Pour qualifier le nombre d insaturations d une masse d huile, on détermine une grandeur appelée «indice d iode» Le dosage repose sur la réaction du chlorure d iode ICl sur les doubles liaisons C=C. Pour le dosage, on dispose d une solution de chlorure d iode dans l acide éthanoïque glacial, appelée «réactif de WIJS» ; sa concentration en ICl, voisine de 0,1 mol.l -1, n est pas connue de façon précise. On réalise la manipulation suivante : _ Dans un erlenmeyer sec, on introduit une masse d huile mh = 0;127 g, puis 25 ml de cyclohexane et un volume VJ = 10;0 ml de réactif de WIJS. On obtient ainsi l échantillon A. _ On prépare un échantillon témoin (échantillon B) en introduisant, dans un autre erlenmeyer sec, 25 ml de cyclohexane et 10,0 ml de réactif de WIJS. _ On place les deux échantillons à l obscurité. Au bout de 40 minutes, on ajoute dans chaque erlenmeyer 15 ml d une solution d iodure de potassium. L iodure de potassium est en excès par rapport à la quantité résiduelle de ICl. _ Cinq minutes plus tard, on titre le contenu de chacun des erlenmeyers avec une solution de thiosulfate de sodium (2 Na + + S 2 O 2 3 ) de concentration CS = 1, mol.l-1. Quand la solution devient jaune paille, on ajoute quelques millilitres d une solution d empois d amidon. Résultat du dosage des échantillons A et B : la disparition de la couleur bleue est observée pour les volumes de titrant ajoutés donnés dans le tableau ci-contre. C. Saury PC Page 1 sur 5

2 Échantillon Volume équivalent A V E A = 11;6 ml B V E B = 20;4 ml 2.2. Écrire l équation de la réaction qui se produit entre I en excès et ICl pour donner I - 3 et Cl. Indiquer si la réaction est quantitative, justifier brièvement, aucun calcul n est demandé Indiquer les instruments de verrerie utilisés pour le prélèvement de la solution de réactif de WIJS d une part, d iodure de potassium d autre part, justifier brièvement Indiquer à quoi sert l attente de 5min avant le dosage Proposer une explication à la nécessité de se placer en milieu acide pour le dosage de I 2 (aq) ou de I Écrire l équation de la réaction du dosage de I 3 et justifier brièvement son utilisation pour le dosage Donner l expression littérale de la quantité de matière de chlorure d iode introduite initialement dans l échantillon B, puis la calculer Déterminer alors la quantité de matière de chlorure d iode fixée sur les doubles liaisons C=C des molécules de l huile Exprimer la masse de diiode qui se serait fixée sur les doubles liaisons C=C de l huile si on avait fait réagir I 2 et non ICl. L application numérique n est pas demandée On appelle indice d iode d une substance la masse de diiode (exprimée en g) que fixerait une masse m = 100 g de l échantillon analysé. Déterminer la valeur numérique de l indice d iode de l huile analysée Données Masse molaire atomique de l iode : MI = 127 g.mol-1 Constante des gaz parfaits : R = 8 J.K-1.mol-1 R T ln10/f = 0;060 V à T = 298 K Potentiels standard à 298 K et ph = 0 Couple IO - 3 / I 2 (aq) I 2 (aq) / I I - 3 /I - ICl(aq)/ I 3 S 4 O /S 2 O 3 O 2 (g)/h 2 O E(V) 1,18 0,62 0,54 1,20 0,08 1,23 Constante de l équilibre I 2 (aq) + I (aq) = I 3 - (aq) : KI = 4; C. Saury PC Page 2 sur 5

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4 Probleme 2 : Devoir Maison MathSpé PC L'objectif de cette partie est d'étudier la dissolution du dioxyde de carbone dans l'eau pour déterminer quelques ordres de grandeur concernant la bouteille étudiée. L'eau gazéifiée peut être assimilée à une eau dans laquelle s'est dissous naturellement ou artificiellement du dioxyde de carbone. L'un des sites internet de la marque fournit le descriptif suivant : " Les sodas se composent de 90 à 99 % d'eau. Nous utilisons exclusivement de l'eau de source ou de l'eau de distribution, qui subiront chacune un traitement approprié. [...] Ces eaux contiennent une certaine quantité d'oxygène et c'est la raison pour laquelle elles sont purgées lors de leur préparation. Le gaz carbonique ou CO 2 remplit plusieurs fonctions. Il contribue à étancher la soif, renforce l'arôme et prolonge la durée de conservation. Il réduit également la présence potentielle d'autres gaz dans la boisson. La plupart de nos sodas contiennent 5 à 8 g de CO 2 par litre. Le CO 2 est amené sous forme liquide et est stocké sous pression à température peu élevée. Avant utilisation, il est gazéifié dans un échangeur thermique." Le dioxyde de carbone se dissout dans l'eau en donnant une solution, siège des équilibres suivants, à 298 K : (1) CO 2 (g) = CO 2 (aq) K 1 = 3, (2) CO 2 (aq) + H 2 O(liq) = H 2 CO 3 (aq) K 2 = 2, (3) H 2 CO 3 (aq) + H 2 O(liq) = HCO 3 (aq) + H 3 O + (aq) K 3 = 1, (4) HCO 3 (aq) + H 2 O(liq) = CO 2 3 (aq) + H 3 O + (aq) K 4 = 5, Structures de Lewis 1.a) Représenter une structure de Lewis pour chacune des espèces chimiques suivantes : H 2 O, CO 2, CO b) Présenter la méthode VSEPR sur l'exemple de la molécule d eau. 1.c) Dans l'ion carbonate CO 3 2, peut-on prévoir des longueurs de liaison égales? 2. Solubilité de CO 2 : quelques ordres de grandeur 2.1. Dissolution du dioxyde de carbone contenu dans l atmosphère. La pression partielle du dioxyde de carbone dans l'atmosphère est évaluée à 3, bar. Dans le document «Ressources physique-chimie», publié sur le site Éduscol, on trouve l'extrait suivant : "la question des pluies acides et de leur origine peut être abordée dans le cadre de l éducation au développement durable. Une solution aqueuse est acide si son ph est inférieur à 7 mais une pluie est dite acide si son ph est inférieur à 5,6." 2.1.a) Évaluer la quantité de matière de CO 2 dissous à l'équilibre dans un litre d'eau pure à 25 C ; le résultat obtenu est-il cohérent avec cette mesure du ph d'une eau distillée laissée longtemps à l'air libre : ph = 5,6? 2.1.b) Le dioxyde de carbone est-il responsable des pluies acides? Si non, citer une autre espèce chimique possible Les boissons gazéifiées. 2.2.a) On considère une bouteille d'eau, préalablement pure, gazéifiée sous une pression de CO 2 égale à 4,0 bar : évaluer la masse de CO 2 contenu dans 1,0 L de cette eau et le ph correspondant. 2.2.b) Le site officiel d'une eau minérale gazéifiée (Perrier ) annonce que les bouteilles contiennent 7 g/l de CO 2. Le ph est de 5,5. Comment est-ce possible? C. Saury PC Page 4 sur 5

5 3. Solubilité de CO 2 : influence du ph Devoir Maison MathSpé PC La boisson étudiée contient un acidifiant qui lui confère un ph égal à 2,5 ; on étudie dans cette partie l'influence du ph sur la solubilité de CO 2. Pour résumer l'influence du ph sur la solubilité du CO 2 dans l'eau sous une pression donnée, on peut tracer un diagramme de type ps = log (s/c ) = f (ph) où s représente la solubilité de CO 2 et c la concentration de référence (c = 1,00 mol.l 1 ). On donne l'allure d'un tel diagramme ci-dessous pour (P CO2 ) équilibre = 3, bar. 4,9 - log(s/c ) 0,99 6,4 10,3 ph Diagramme de solubilité du CO 2 en fonction du ph 3.1. Donner l'expression de la solubilité s du dioxyde de carbone en phase aqueuse en fonction de la concentration en ions oxonium H 3 O + et de (P CO2 ) équilibre Retrouver, à partir de l'expression obtenue, l'équation du segment de droite situé entre ph = 6,4 et ph = 10, Évaluer la pression à l'intérieur de la bouteille à 25 C en tenant compte des indications prises sur le site internet de la société et des éléments étudiés jusqu'ici Évaluer la solubilité du CO 2 dans la boisson étudiée, à l'équilibre thermodynamique, lorsqu'elle est laissée à l'air libre, en admettant que le ph ne change pas. C. Saury PC Page 5 sur 5