Chimie : Séance n 1. i (H 3 O + )= C 2.V 2 = 2, = 80 mmol

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1 Chimie : Séance n 1 I.Action d un acide par un métal : La réaction entre une solution d acide chlorhydrique et de l aluminium préalablement décapé produit un dégagement de dihydrogène. a) on met en présence une masse m 1 0,52 g d aluminium et un volume 2 40 ml de solution d acide chlorhydrique de concentration molaire C 2 2,0 mol.l écrire l équation de la réaction chimique : 2 Al (s) + 6 H 3 O + (aq) 2 Al 3+ (aq) + 3 H 2 (g) + 6 H 2 O (l) - déterminer les quantités des réactifs dans l état initial m ( Al) 0,52 n i ( Al) 19 mmol n M ( Al) 27 i (H 3 O + ) C , mmol b) A l aide d un tableau d évolution (tableau d avancement), déterminer : - l avancement final et le réactif limitant Rq : on parle d avancement final ou d avancement maximal état avancement 2 Al (s) + 6 H 3 O + (aq) 2 Al 3+ (aq) + 3 H 2 (g) + 6 H 2 O (l) initial x 0 19 mmol 80 mmol 0 0 excès en cours x 19-2x 80 6x 2x 3x excès final x max 19 2*.9, *9,5 23 mmol 2*9,5 19 mmol 3*9,5 28,5 mmol excès avancement maximal : l'un au moins des réactifs a disparu soit Al(s) a disparu et 19-2x max 0 --> x max 9,5 mmol soit H 3 O + et 80-6x max 0 --> x max 13,3 mmol on retient la plus petite valeur: elle correspond à l'avancement maximal soit x max 9,5 mmol la réaction s'arrête lorsque tout l aluminium est consommé. On dit que l aluminium est le réactif limitant, il est en défaut. L ion H 3 O + est en excès. La composition finale du mélange est donnée par la dernière ligne du tableau. - la quantité, puis le volume de dihydrogène dégagé dans les conditions de l expérience où le volume molaire des gaz vaut 24 L.mol -1 quantité de H 2 (g) dégagé : 28,5 mmol et (H 2 ) n * m 28, * 24 0,684 L

2 II. Ions iodure et ions Fer (III) : On verse dans un tube à essai un volume 1 3,0 ml de solution orangée de sulfate de fer (III), de concentration C 1 0,050 mol.l -1. On ajoute un volume 2 2,0 ml de solution incolore d iodure de potassium de concentration C 2 0,1 mol.l -1. Le mélange devient peu à peu de couleur brune : il se forme du diiode. a) écrire l équation de la réaction sachant qu il se forme également des ions Fe 2+. 2Fe 3+ (aq) + 2I - (aq) 2Fe 2+ (aq) + I 2 (aq) b) Etablir le tableau d évolution. attention : solution de sulfate de fer : ( 2 Fe 3+ (aq) + 3 SO 4 2- (aq) ) de concentration C 1 0,05 mol.l -1 il faut calculer la concentration effective en ion Fe 3+ présents dans la solution si n est la quantité de sulfate de fer dissoute alors il y a 2n moles d ions Fe 3+ dans la solution or n C* soit 3+ n' 2n 2* C1 * [ Fe ] 2* C1 donc n i (Fe 3+ ) [Fe 3+ ] , ,30 mmol n i (I - ) C , ,2 mmol état avancement 2Fe 3+ (aq) + 2I - (aq) 2Fe 2+ (aq) + I 2 (aq) initial x 0 0,30 mmol 0,20 mmol 0 0 en cours x 0,30 2x 0,20 2x 2x x final x max 0,1 mmol 0 0,2 mmol 0,1 mmol c) En déduire : -l avancement final et le réactif limitant. Si Fe 3+ est limitant alors : 0,30 2x max 0 --> x max 0,15 mmol Si I - est limitant alors : 0,20 2x max 0 --> x max 0,10 mmol - la composition, en quantité de matière, du système dans l état final. oir dernière ligne du tableau Rq : ne pas oublier les ions spectateurs dans l état final : n f (K + ) n i (I - ) 0,2 mmol n f (SO 4 2- ) n i (SO 4 2- ) [SO 4 2- ] , ,45 mmol (même raisonnement que pour n i (Fe 3+ ))

3 III. La nitroglycérine : La nitroglycérine, de formule brute C 3 H 5 O 9 N 3, incorporée à un support absorbant à base de silice, constitue la dynamite (un explosif). Sa décomposition explosive, provoquée par un détonateur, fournit un mélange gazeux constitué de dioxyde de carbone, d eau, de diazote et de dioxygène. a) écrire l équation de la réaction de décomposition de la nitroglycérine 4 C 3 H 5 O 9 N 3 (s) 12 CO 2 (g) + 10 H 2 O (g) + 6 N 2 (g) + O 2 (g) b) Un bâton de dynamite contient 10 g de nitroglycérine. - établir le tableau d avancement correspondant état avancement 4 C 3 H 5 O 9 N 3 (s) 12CO 2 (g) + 10H 2 O (g) + 6N 2 (g) + O 2 (g) initial x 0 44 mmol en cours x 44 4x 12x 10x 6x x final x max 0 0,132 mol 0,11 mol 66 mmol 11 mmol - Calculer la quantité de chacun des gaz produits lors de l explosion. M 227 g.mol -1 n i (C 3 H 5 O 9 N 3 ) 44 mmol La nitroglycérine est obligatoirement le réactif limitant : 44 4x max 0 --> x max 11 mmol oir dernière ligne du tableau c) Pour provoquer l éclatement d un rocher, on perce un trou dans lequel on place le bâton de dynamite. Calculer la pression atteinte dans la cavité dont le volume est de 0,60 dm 3 si la température des gaz, juste après l explosion, est de l ordre de 2000 C. p nrt, n gaz mmol 0,6 dm 3 0, m 3 p n. R. T , , , Pa 1, bars soit pratiquement fois la pression atmosphérique, le rocher sera pulvérisé.

4 I. Composition du bronze d une cloche : Lors de la réaction entre l étain et une solution d acide chlorhydrique, il se produit un dégagement de dihydrogène et des ions étain Sn 2+ (aq) apparaissent. Dans les mêmes conditions le cuivre ne réagit pas. a) écrire l équation de la réaction. Sn (s) + 2 H 3 O + (aq) Sn 2+ (aq) + H 2 (g) + 2H 2 O (l) Les cloches sont constituées de bronze, alliage de cuivre et d étain. Un échantillon de ce bronze de masse m 0 5,4 g est plongé dans une solution d acide chlorhydrique. On recueille un volume de dihydrogène 250 ml. à l aide d un tableau d avancement et en supposant que les ions H 3 O + (aq) sont en excès, déterminer l avancement final. état avancement Sn (s) + 2 H 3 O + (aq) Sn 2+ (aq) + H 2 (g) + 2H 2 O (l) initial x 0 n 0 (Sn) n 0 (H 3 O + ) 0 0 excès en cours x n 0 (Sn) - x n 0 (H 3 O + ) 2x x x excès final x max 0 excès 0,0104 mol 0,0104 mol excès H 3 O + (aq) en excès donc le réactif limitant est l étain : x max n 0 (Sn) mol il va donc se former x max mol de H 2 (g). or (H 2 ) recueilli 250 ml soit x(h 2 ) x max 0,0104 mol - en déduire la quantité et la masse d étain présent dans l échantillon d où n 0 (Sn) 0,0104 mol et M(Sn) 118,7 g.mol -1 : m(sn) 1,234 g b) Calculer le pourcentage en masse d étain dans le bronze. % en masse m(sn)/m 0 0,228 il y a à peu près 23% d étain dans l échantillon de bronze

5 . Analyse d une coquille d œuf : Dans un flacon de volume 850 ml, on introduit un volume 100 ml d acide chlorhydrique ( C 0,50 mol.l -1 ). On mesure la pression p i p air 1025 hpa et la température vaut θ 22 C. On introduit alors une masse m 0,250 g de coquille d œuf et on laisse le système évoluer. En fin d expérience, lorsque la température est revenue à θ 22 C, la pression finale est p f 1102 hpa. La coquille d oeuf est essentiellement composée de carbonate de calcium et le gaz formé est du dioxyde de carbone. a) écrire l équation de la réaction entre le carbonate de calcium et l acide chlorhydrique. CaCO 3 (s) + 2 H 3 O + (aq) CO 2 (g) + Ca 2+ (aq) + 3H 2 O(l) b) - quelle est la relation entre la pression finale de dioxyde de carbone p f (CO 2 ) et les pressions p i et p f? calculer p f (CO 2 ) p f (CO 2 ) p f - p i hpa 7700 Pa c) - établir le tableau d avancement et relier l avancement final de la réaction à la pression finale p f (CO 2 ). Calculer l avancement final état avancement CaCO 3 (s) + 2 H 3 O + (aq) CO 2 (g) + Ca 2+ (aq) + 3H 2 O(l) initial x 0 n i (CaCO 3 ) n i (H 3 O + ) 0 0 excès en cours x n i (CaCO 3 ) - x n i (H 3 O + ) 2x x x excès final x max n i (CaCO 3 ) x max n i (H 3 O + ) 2x max x max x max excès n f (CO 2 ) x max de plus p f (CO 2 ). gaz n f (CO 2 ).R.T avec gaz bécher liq ml d où x max n f (CO 2 ) 2,4 mmol - en supposant les ions H 3 O + (aq) en excès, calculer la quantité puis la masse de carbonate de calcium présent dans la coquille d œuf. le carbonate de calcium est le réactif limitant : n i (CaCO 3 ) x max 0 --> n i (CaCO 3 ) 2,4 mmol m(caco 3 ) M (CaCO 3 ). n (CaCO 3 ) 0,24 g - en déduire le pourcentage en masse de ce composé dans la coquille. % en masse 0,24 / 0,25 0,96 soit 96 % en masse de carbonate de calcium dans la coquille d œuf.

6 I. Clou de girofle : L une des espèces chimiques responsables de l odeur du clou de girofle a pour formule C a H b O c. Lors de la combustion complète de 0,10 mol de cette espèce avec du dioxygène en excès, on obtient 0,70 mol de dioxyde de carbone et 0,70 mol d eau. a) écrire l équation de la réaction de combustion. b c b C a H b O c + (a + - )O 2 a CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) 4 2 b) A l aide d un tableau d avancement, déterminer les valeurs de a et de b. état avancement C a H b O c + (a + b/4 - c/2 )O 2 a CO 2 (g) + (b/2) H 2 O(l) initial x 0 0,10 mol n i (O 2 ) 0 0 en cours x 0,10 - x n i (O 2 ) - (a + b/4 - c/2 )x ax (b/2)x final x max 0 0,70 mol 0,70 n f (CO 2 ) a.x max 0,70 mol et 0,10 x max 0 d où : x max 0,1 mol et a 7 n f (H 2 O) (b/2)x max 0,70 mol d où : b 14 c) Le pourcentage massique en oxygène dans cette espèce est de 14 %. En déduire la valeur de c %(O 2 ) 0,14 mc ( O) 16. c 16. c %( O2 ) m( C H O ) a b c c a b c d où c 1 d) Déterminer le volume minimal de dioxygène nécessaire pour assurer la combustion de 0,10 mol du composé. d après l équation, 1 mole de C 7 H 14 O réagit avec ( /4 ½) 10 moles de O 2 d où n i (O 2 ) 10.n i (C 7 H 14 O) 1 mol d où (O 2 ) n i (O 2 ). m 24 L

7 II. Mélange stoechiométrique : On mélange, dans un bécher, 20mL de diiode de concentration 1, mol.l -1 et un volume 2 d une solution de thiosulfate de sodium (2Na + (aq) + S 2 O 3 2- (aq)), de concentration en soluté apporté 5, mol.l -1. a) écrire l équation de la réaction sachant qu il se produit des ions iodure I - (aq) et des ions tétrathionates S 4 O 6 2- (aq). b) Calculer la quantité initiale de diiode I 2 (aq) + 2S 2 O 3 2- (aq) 2I - (aq) + S 4 O 6 2- (aq) n i (I 2 ) C , mol 2, mmol c) En déduire la valeur du volume 2 pour que le mélange initial soit stoechiométrique. état avancement I 2 (aq) + 2S 2 O 2-3 (aq) 2I - (aq) + S 4 O 2-6 (aq) initial x 0 2, mmol n 0 (S 2 O 2-3 ) 0 0 en cours x 2, x n 0 (S 2 O 2-3 ) 2x 2x x final x max 0 0 4, mmol 2, mmol mélange stoechiométrique : n i (I 2 ) n ( S O ) d où 2, x max 0 --> x max 2, mmol et n 0 (S 2 O 3 2- ) 2x max 0 --> n 0 (S 2 O 3 2- ) 4, mmol attention :solution de thiosulfate de sodium : 2Na + (aq) + S 2 O 3 2- (aq) de concentration C mol.l -1 il faut calculer la concentration effective en ion S 2 O 3 2- présents dans la solution donc n i (S 2 O 3 2- ) [S 2 O 3 2- ]. 2 --> 2 9,6 ml

8 III.Synthèse de l arôme de banane : Pour synthétiser au laboratoire l arôme de banane., on fait réagir 30 ml de 3-méthylbutan-1-ol ( C 5 H 12 O ) avec 20 ml d acide acétique «glacial» ( C 2 H 4 O 2 ). On obtient alors de l acétate de 3-méthylbutyle ( C 7 H 14 O 2 ) a) Ecrire l équation bilan de la transformation. (sachant qu il y a aussi formation d eau.) C 5 H 12 O(l) + C 2 H 4 O 2 (l) C 7 H 14 O 2 (l) + H 2 O(l) b) - Calculer la masse de chacun des réactifs sachant que la masse volumique du 3-méthylbut-1-ol est de 0,81g/mL et que celle de l acide acétique est de 1,03g/mL. m(c 5 H 12 O) 30.0,81 24,3g m(c 2 H 4 O 2 ) 20.1,03 20,6g - En déduire les quantités de matière initiales. d où d où n i (C 5 H 12 O) 24,3/88 0,28 mol n i (C 2 H 4 O 2 ) 20,6/60 0,34 mol c) - A l aide d un tableau d avancement, identifier le réactif limitant de cette synthèse. C 5 H 12 O (l) + C 2 H 4 O 2 (l) C 7 H 14 O 2 (l) + H 2 O(l) initial t0 0,28 mol 0,34 mol 0 0 en cours 0,28 - x 0,34 - x x x final 0 0,06 mol 0,28 mol 0,28 mol Si C 5 H 12 O est limitant : 0,28 x max 0 --> x max 0, 28 mol Si C 2 H 4 O 2 est limitant : 0, 34 - x max 0 --> x max 0, 34mol On prend la plus petite valeur de x max donc c est le 3-methyl-butan-1-ol ( C 5 H 12 O ) le réactif limitant - Quelle quantité d arôme de banane a-t-on pu produire? On a alors produit 0,28 mol d arôme de banane (C 7 H 14 O 2 ) d) - En ne modifiant que le volume d acide acétique, comment pourrait-on minimiser les pertes? Il suffit de mélanger les réactifs en proportions stoechiométriques. L acide acétique est en excès. Il suffit de n utiliser que 0,28 mol d acide soit une masse de 0, ,5g d où un volume de : 16,5/1,03 16,0 ml d acide acétique.

9 IX. Formation d argent : Dans un tube à essai on verse 5,0 ml d une solution de nitrate d argent de concentration molaire 0,20 mol.l -1. On immerge partiellement un fil de cuivre dans la solution. La masse de la partie immergée est égale à 0,52 g. Le fil se recouvre d argent et la solution bleuit : il se forme des ion cuivre. a) écrire l équation de la réaction et calculer les quantités initiales des réactifs. 2Ag + (aq) + Cu(s) 2Ag(s) + Cu 2+ (aq) n i (Ag + ) C , mmol n i (Cu) m(cu)/ M(Cu) 0,52 / 63,5 8,2 mmol b) A l aide du tableau d avancement, déterminer l avancement final et le réactif limitant puis la composition en quantité de matière, du système dans l état final ainsi que la concentration des ions cuivre dans l état final. état avancement 2Ag + (aq) + Cu(s) 2Ag(s) + Cu 2+ (aq) initial x 0 1 mmol 8,2 mmol 0 0 en cours x 1 2x 8,2 - x 2x x final x max 0 7,7 mmol 1 mmol 0,5 mmol Si Ag + est le réactif limitant : 1 2x max 0 --> x max 0,5 mmol Si Cu est le réactif limitant : 8,2 x max 0 --> x max 8,2 mmol On prend la plus petite valeur de x max donc c est l ion Ag + le réactif limitant Solution de nitrate d argent : les ions nitrate sont spectateurs donc : n i (NO 3 - ) n f (NO 3 - ) n i (Ag + ) 1 mmol 2+ n f ( Cu 2+ 0,5.10 [ Cu ] 3 ) ,1 mol.l -1

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