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1 TERMINALE S3 Contrôle n 4 de Sciences Physiques 15/12/2009 Exercice 1 : En guise d apéritif 1. Qu est ce qu un acide selon Brönsted (définition du cours)? 2. Quel est le ph d une solution d acide éthanoïque dans laquelle la concentration molaire des ions H 3 O + a pour valeur [H 3 O + ]=1, mol.l -1? 3.a. Une solution d un acide HA 1 de concentration molaire c = 5, mol.l -1 a un ph = 2,3. L acide HA est-il fort ou faible? Ecrire l équation de sa réaction avec l eau. Quel est le taux d avancement final de cette réaction? 3.b. Mêmes questions pour un acide HA 2 de concentration c = 5, mol.l -1 dont la solution a un ph = 3,3. 4. Définir le produit ionique de l eau. 5. Donner, en fonction de pk A1 et pk A2, l expression de la constante d équilibre de la réaction : HA 1 (aq) + A 2 - (aq) = A 1 - (aq) + HA 2 (aq) 6. Pourquoi réalise-t-on des titrages? Que doit vérifier une réaction de titrage? Exercice 2 : La vitamine C La vitamine C, ou acide ascorbique, de formule brute C 6 H 8 O 6 est utilisée pour ses vertus préventives contre le scorbut. Elle intervient dans la formation des vaisseaux sanguins, l'élaboration des tissus, des cartilages et de l'osséine des os. Les besoins du corps humain sont de l'ordre de 75 mg par jour. La vitamine C possède des propriétés rédox, c'est un réducteur puissant, ainsi que des propriétés acido-basiques. Elle est utilisée comme additif alimentaire afin d'empêcher l'oxydation des autres nutriments. Partie I : Dégradation de la vitamine C Les 3 parties sont indépendantes Si l'on expose la vitamine C à l'air, elle se dégrade facilement en étant oxydée par le dioxygène (en large excès). On réalise le suivi cinétique de la dégradation de la vitamine C dans un jus d'orange par des titrages à différentes dates d un volume V orange = 100,0 ml de jus d orange à une température T = 25 C. On obtient la courbe ci-après. 4, , , , , , , ,

2 Nous considérons que l oxydation de la vitamine C est une transformation totale Définir la notion d oxydation. ( C est-à-dire ce qui se passe au cours d une réaction d oxydation.) 1.2. L oxydation de la vitamine C dans le jus d orange est-elle rapide ou lente? Justifier Déterminer les valeurs de la vitesse volumique de réaction à t = 0 min et à t = 400 min Donner la définition du temps de demi-réaction t 1/2 et estimer sa valeur Quelle est la concentration molaire volumique de la vitamine C dans une bouteille d un litre de jus d orange? 1.6. Expliquer pour quelle raison il convient de conserver les jus de fruits à très basse température. Partie II : Etude des propriétés acido-basiques Soit C la concentration volumique molaire apportée en vitamine C et V le volume de la solution. On s'intéresse dans cette partie aux propriétés acido-basiques de la vitamine C, dont la formule est désormais notée AH Expliquer cette phrase: «La réaction entre la vitamine C et l eau conduit à un état d équilibre.» 2.2. Sur l annexe, écrire dans le tableau d avancement l équation de la réaction de AH avec l eau Compléter le tableau d avancement sur cette même annexe (expressions littérales seulement) À l état d équilibre, exprimer les concentrations des espèces chimiques présentes en fonction de x f, C et V Donner l expression littérale de la constante d équilibrek en fonction de x f, C et V Calculer la valeur de K sachant que le couple AH/A - de la vitamine C a un pka valant 4, Établir le diagramme de prédominance des espèces AH et A Quelle est l espèce prédominante à ph = 3,0? 2.9. Calculer le rapport des concentrations [A - ]/[AH] dans une solution de vitamine C de ph = 6,0. Partie III : Titrages d un comprimé de vitamine C On réalise une solution S de volume V S = 100,0 ml, obtenue en dissolvant un comprimé broyé de vitamine C appelé «C500» dans de l eau distillée. 3.1.Donner le protocole suivi pour préparer la solution S. On titre V a = 10,0 ml de la solution S par une solution d hydroxyde de sodium (Na + + HO - ) de concentration C b = 2, mol.l -1. Un suivi ph-métrique est réalisé en versant un volume V b croissant en hydroxyde de sodium, à l aide d une burette graduée de 25,0 ml Faire le schéma annoté du dispositif de titrage ph-métrique Écrire l équation chimique de la réaction support du titrage. On considèrera que toute la vitamine C (notée AH) est présente sous sa forme acide Est-il judicieux de ne pas considérer la dégradation de la vitamine C (Partie I) au cours de ce dosage? En annexe figure la courbe de suivi ph-métrique Déterminer, en justifiant, les coordonnées du point d équivalence Comment pouvez-vous justifier la valeur du ph à l équivalence? 3.7. Déterminer la concentration C a de la solution S En déduire la masse de vitamine C présente dans le comprimé. On donne M(AH) = 176 g.mol En déduire la raison de l appellation «C500» pour le comprimé de vitamine C. On désire effectuer le même titrage par suivi colorimétrique Quel indicateur coloré, parmi ceux proposés ci-dessus doit-on choisir? Justifier. indicateur coloré zone de virage bleu de bromophénol 3,0 4,6 rouge de méthyle 4,2-6,2 rouge de crésol 7,2 8,8

3 On désire effectuer le même titrage par suivi conductimétrique. Pour cela, on ajoute au volume V a initial près de 200 ml d eau distillée, puis progressivement de l hydroxyde de sodium en versant un volume V b croissant Pourquoi doit-on ajouter un tel volume d eau distillée avant d effectuer le titrage conductimétrique? Comment varie la conductivité σ en fonction de V b au cours du titrage? Justifier et donner l allure de la courbe, sachant que la conductivité initiale est non nulle. Donnée : λ(ho - ) > λ(a - ) Nom : Annexe à découper et à rendre Tableau d avancement équation de réaction = avancement n ( ) (mol) n (H 2O) (mol) n ( ) (mol) n ( ) (mol) état initial x = 0 excès en cours x excès état final x = x f excès x = excès Courbe de suivi ph-métrique ph Volume d'hydroxyde de sodium versé V b (ml)

4 Correction du DS n 4 de Physique-Chimie Exercice n 1 (6 points) 1. Un acide est une espèce susceptible de céder un proton H + (0,5) 2. ph= log [H 3 O + ] = 2,9 (1,0) 3.a. L'équation de réaction de l'acide avec l'eau est : HA aq H 2 O aq =A - aq H 3 O + aq [H 3 O + ]=10 ph = 5, mol.l 1 On remarque que [H 3 O + ]=c donc l'acide est complètement dissocié : c'est un acide fort = x f = [H 3O + ] =1 (= 100 %) (1,5) c 3.b. L'équation de réaction de l'acide avec l'eau est : HA aq H 2 O aq =A - aq H 3 O + aq [H 3 O + ]=10 ph = 5, mol.l 1 On remarque que [H 3 O + ] c donc l'acide n'est que partiellement dissocié : c'est un acide faible = x f = [H 3O + ] =0,1 (= 10 %) (1,0) c 4. C'est la constante d'équilibre de la réaction d'autoprotolyse de l'eau K e =[H 3 O + ][HO - ]=10 14 (0,5) Attention : on n'a [H 3 O + ]=[HO - ]=10 7 mol.l 1 que dans le cas où ph = 7 5. K= K A1 K A2 =10 pk A2 pk A1 (0,5) 6. Le but d'un titrage est de déterminer la concentration d'une solution. La réaction servant de support doit être totale, rapide et univoque. (1,0) Exercice n 2 (14 points) 1.1. Au cours d'une oxydation, l'espèce chimique qui est oxydée est le réducteur d'un couple oxydant/réducteur. Cette espèce perd un ou plusieurs électrons. (0,25) 1.2. Une transformation est lente lorsqu'on peut suivre son évolution à l'oeil nu ou par la mesure. Transformation rapide : terminée en moins de 1 s. (0,5) 1.3. v= 1 V dx dt v(0) = 4, mol.l -1.min -1 et v(400min) est nulle. (0,75) 1.4. x(t½)=xmax/2 (réaction totale) t½ =76 min Si vous parlez des réactifs, parlez de «réactif limitant» consommé à moitié. (0,5) 1.5. C = xmax/v = 3, mol.l -1 (0,5) 1.6. La température est un facteur cinétique. Plus la température est basse, plus la durée de la transformation (dégradation de la vitamine C) est longue. (0,25) 2.1. Un système chimique est en équilibre chimique lorsque les concentrations de ses constituants restent constantes au cours du temps. (0,5) 2.2. et 2.3. (0,5) et (0,75) équation chimique AH (aq) + H2O (aq) = A - (aq) + H3O + (aq) avancement n(ah) (mol) n(h2o) (mol) n(a - ) (mol) n(h3o + ) (mol) état initial x = 0 CV excès 0 0 en cours x CV-x excès x x final x = x f CV-x f excès x f x f x = CV- = 0 excès

5 2.4. [AH]=C x f V et [A- ]=[H 3 O + ]= x f V (0,75) 2.5. ] eq [H 3 O + ] eq K=[A- = [AH ] eq 2.6. K=Ka=10 4 (0,5) 2.7. x f V 2 C x f V (0,5) 2.8. À ph=3 [AH]>[A-] (0,5) 2.9. log[a-]/[ah]=ph-pka=2 donc [A-]/[AH]=100 (0,5) (0,75) Mettre un comprimé dans une fiole jaugée de 100,0 ml à l'aide d'un entonnoir. -Rincer l'entonnoir à l'aide d'une pissette d'eau distillée en versant l'eau de rinçage dans le fiole -Rajouter un peu d'eau distillée et agiter pour dissoudre le comprimé -Compléter par de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge -Fermer avec un bouchon et agiter pour homogénéiser (0,75) 3.2. Schéma : burette (soude), bécher (acide, barreau aimanté), agitateur magnétique, phmètre (1,0) 3.3. AH aq OH - aq =A - aq H 2 O l (0,5) 3.4. On peut considérer la dégradation suffisamment lente par rapport à la réaction de dosage qui doit être rapide. (0,25) 3.5. Méthode des tangentes parallèles donne ph = 8 et Vbeq = 14,0 ml (1,0) Certains écrivent 8 et 14 sans comprendre ce que cela représente A l'équivalence, tout l'acide a été dosé et on a donc une base A - en solution : le ph est donc basique (>7) (0,5) 3.7. C a = C b V beq V a = 2, mol.l -1 (0,75) 3.8. m=m(ah).n = M(AH).Ca.V = 176 2, ,100 = 0,49 g = 490 mg (0,5) mg de vitamine C dans un comprimé (0,25) Le rouge de crésol car sa zone de virage contient le ph à l'équivalence. (0,5) Pour un dosage conductimétrique il est conseillé d'ajouter un grand volume d'eau pour minimiser les effets de la dilution. Les électrodes doivent de plus être entièrement immergées. (bonus 0,25) Jusqu'à l'équivalence, le système perd des molécules AH (non conductrices) au profit d'ions A- (conducteurs) donc la conductivité σ augmente. Après l'équivalence on ajoute OH- en excès donc σ augmente, avec une croissance plus rapide car λ(ho-) > λ(a-) (bonus 0,5)