AP - TS Travail sur l'avancement d'une transformation chimique Correction

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1 AP - TS Travail sur l'avancement d'une transformation chimique Correction Exercice 1 - Dans le Bordas 1 S ex 5 p Équation de la réaction chimique. Les ions Chlorure étant spectateurs, ils n'apparaissent pas dans le bilan de l'équation de la réaction chimique qui s'écrit alors : Mg (s) + 2 H + (aq) Mg 2+ (aq) + H 2(g) (1) (Remarque : on vérifie bien que les règles de conservation des charges et des espèces chimiques sont respectées). 2- Tableau d'avancement dans un cas général Équation : Mg (s) + 2 H + (aq) Mg 2+ (aq) + H 2(g) (1) État Avancement Quantités de matière (mol) Initial 0 n Mg, i n H+, i 0 0 En cours x n Mg, i - x n H+, i -2 x x x Final x max n Mg, i - x max n H+, i - 2 x max x max x max 3- a) Quantité de matière initiale de chacun des réactifs Quantité initiale d'ions H + : Il suffit d'utiliser la relation liant la concentration et la quantité de matière : n H+, i = c * V = 1,0 * (5, ) = 5, mol Quantité initiale de magnésium Mg : Il suffit d'utiliser la relation liant la masse et la quantité de matière : n Mg, i = mol b) Réactif limitant et avancement maximal. Si le magnésium est le réactif limitant, alors n Mg, i x 1,max = 0 donc x 1,max = n Mg, i = 4, mol. Si H + est le réactif limitant, alors n H+, i 2 x 2,max = 0 donc x 2,max = 2, mol. Le réactif limitant (le réactif qui disparaît le premier) est donc l'ion Hydrogène H + car l'avancement maximal est le plus petit de x 1,max et x 2,max, ce sera donc x max = 2, mol. c) Composition du système à l'état final. Il est nécessaire de remplacer l'expression donnée dans le tableau par la valeur de l'avancement maximal : n Mg, f = n Mg, i x max = 4, , =1, mol. n H+, f = n H+, i 2 x max = 0 mol Quant aux produits : n H2, f = n Mg2+, f = x max = 2, mol d) Volume de dihydrogène dégagé. Puisqu'une mole de gaz occupe 24 litres, soit V m alors V H2,f = n H2,f * V m = 2, *24 =0,60 L 1/6

2 Exercice 2 - Bilan à l'état final. On mélange une solution de vitamine C (C 6 H ) et une solution de diiode (I 2 ). A l'état initial, les quantités de matière introduites sont = 6, mmol et n i(i2) = 1, mmol La réaction qui se produit a pour équation : C 6 H (aq) + I 2 (aq) C 6 H (aq) + 2I - (aq) + 2H + (aq) (1) La seule espèce colorée est ici le diiode de couleur orange. 1- Identifier le réactif limitant et en déduire l'avancement maximal x max. Si la vitamine C est le réactif limitant, alors si x 1,max = 0 d'où x 1,max = = 6, mmol. Si le diiode est le réactif limitant, alors si n i(i2) x 2,max = 0 d'où x 2,max = n i(i2) = 1, mmol. Le réactif limitant est donc la vitamine C et l'avancement maximal sera 6, mol. 2- Dresser le tableau d'avancement de la transformation chimique en ne faisant figurer que des expressions littérales. Équation : C 6 H (aq) + I 2 (aq) C 6 H (aq) + 2I - (aq) + 2H + (aq) (1) État Avancement Quantités de matière (mmol) Initial 0 n I2, i En cours x - x n I2, i - x x 2x 2x Final x max - x max n I2, i - x max x max 2x max 2x max 3- Calculer des quantités de matières à l'état final. Il suffit de remplacer les expressions littérales par les valeurs numériques : Réactifs : = x max = 0 mmol. n I2, i = n I2, i x max = 1, , = 4, mmol Produits : = x max = 6, mmol n f, I- = 2x max = 1, mmol n f, H+ = 2x max = 1, mmol 4- Quelle est la couleur du mélange à l'état final? Justifier votre réponse. Le diiode étant en excès, il en restera lorsque la transformation s'arrêtera. La couleur du mélange sera alors orange. 2/6

3 Exercice 3- Synthèse du bleu de Prusse. Pour synthétiser un pigment bleu appelé bleu de Prusse, on mélange un volume V 1 = 20,0 ml de solution de sulfate de fer (III) de concentration c 1 = 1, mol.l -1 et un volume V 2 = 30 ml de solution d'hexacyanoferrate (II) de potassium de concentration c 2 = 1, mol.l -1. La réaction qui se produit a pour équation : 4Fe 3+ (aq) + Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 (s) (1) Donnée : M(Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 ) = 858 g.mol Calculer les quantités de matière initiales des réactifs. Quantité initiale d'ions Fe 3+ : Il convient d'utiliser la relation liant la concentration et la quantité de matière : = c 1* v 1 = 1, *(2, ) = 2, mol. Quantité initiale d'ions : = c 2* v 2 = 1, *(3, ) = 3, mol. 2- Déterminer le réactif limitant. Si l'ion Fe 3+ est le réactif limitant, alors n Fe3+, i 4 x 1,max = 0 soit x 1,max = = 5, mol. Si l'hexacyanoferrate est le réactif limitant, alors 3 x 2,max = 0 soit x 2,max = = 1, mol. Le réactif limitant est donc l'ion Fe 3+ et l'avancement maximal sera 5, mol. 3- Dresser le tableau d'avancement de la transformation chimique en ne faisant figurer que des expressions littérales. Équation : 4Fe 3+ (aq) + Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 (s) (1) État Avancement Quantités de matière (mmol) Initial 0 0 En cours x - 4x - 3x x Final x max - 4x max - 3x max x max 4- Calculer les quantités de matière des espèces présentes à l'état final. Nous devons remplacer les expressions littérales par les valeurs numériques : Réactifs : = 4x max = 0 mol. = 3x max = 3, , = 2, mol Produits : = x max = 5, mol 5- Quelle masse maximale de bleu de Prusse peut-on espérer obtenir? Il faut utiliser la relation liant la masse et la quantité de matière : = n * M = 5,010-4 *858 = 4, g 3/6

4 Exercice 4- Mélange d'ions fer Une solution contient des ions fer (II) et des ions fer (III). Les concentrations de ces deux ions sont les même et égales à c 1 = 1, mol.l -1 A un volume V 1 = 100 ml de cette solution est ajouté un volume V 2 = 50mL de solution acidifiée d'ions permanganate, de concentration c 2 = 5, mol.l -1. Lors du mélange, il se produit la réaction d'équation :...Fe 2+ (aq) + 8 H + (aq)+. (aq) 5Fe 3+ (aq) + Mn 2+ (aq)+.h 2 0 (l) (1) 1)Déterminer les nombres stœchiométriques manquants. 5.Fe 2+ (aq) + 8 H + (aq)+. (aq) 5Fe 3+ (aq) + Mn 2+ (aq)+ 4 H 2 0 (l) (1) 2) Les ions H + sont en excès. Quelle est la nature de réactif limitant? Il faut déterminer les quantités de matières initiales : = c 1.V 1 = 1, * 0,1 = 1, mol. De même, = c 1.V 1 = 1, * 0,1 = 1, mol. = c 2.V 2 = 5, * 0,050 = 2, mol Si l'ion Fe 2+ est le réactif limitant, alors si 5 x 1,max = 0 soit x 1,max = = 2, mol. Si le permanganate est le réactif limitant, alors si x 2,max = 0 soit x 2,max = = 2, mol. Le réactif limitant est donc l'ion Fe 2+. 3) En déduire l'avancement final. L'avancement maximal sera 2, mol. 4) Calculer les quantités de matière finales des espèces présentes, à l'exception de H + et de H 2 0 Il suffit de remplacer les expressions littérales par les valeurs numériques : Réactifs : n Fe2+, f = n Fe2+, i 5x max = 0 mol. = x max = 2, , = 5, mol Produits : n Fe3+,f = n Fe3+, i +5x max = 1, * 2, = 2, mol n Mn2+,f = x max = 2, mol 5) Justifier que la couleur est rose à l'état final. La couleur rose est donnée par les ions permanganates, ils sont toujours présents lorsque la réaction se termine. La solution est donc colorée en rose. 4/6

5 Exercice 5- dans le livre Bordas 1 S, ex 21 p a) La courbe d'absorbance indique que le diiode absorbe de façon maximale à une longueur d'onde de 440nm. Il absorbe donc majoritairement dans le bleu. Il apparaît donc d'une couleur complémentaire à celle du bleu qui est le jaune. 1- b) Il faut le régler au maximum d'absorbance c'est à dire à 440 nm. 2- a) Le mélange est stœchiométrique si les proportions indiquées par les coefficients stœchiométriques sont respectées par les conditions initiales. Vérifions le : Quantité initiale d'ions iodure : n I-, i = c 1 * V 1 = 0,10 * 2, = 2, mol. Quantité initiale d'eau oxygénée : n H2O2,i =c 2 * V 2 = 0,10 * 2, = 2, mol Or pour que le mélange soit stœchiométrique, il faut qu'il y ait deux fois plus d'ions iodure que d'ions Hydrogène : ce n'est donc pas le cas. b) Tableau descriptif de l'évolution du système. Équation : H 2 O 2(aq) + 2 I -(aq) + 2H + (aq) I 2(aq) + 2 H 2 0 (l) (1) État Avancement Quantités de matière (mol) Initial 0 n H2O2,i n I-, i En x n H2O2,i -x n I-, i -2x En excès x cours (milieu acide) 0 En excès (solvant) Final x max n H2O2,i -x max n I-, i -2x max x max c) Relation entre la concentration en diiode et l'avancement x de la transformation. La relation est la suivante : c (I2) = où V solution = V 1 +V 2 +V eau. d) Détermination de l'avancement maximal. L'avancement est maximal lorsque l'un des deux réactifs s'épuise. L'eau oxygénée étant en concentration dix fois plus faible alors que les proportions stœchiométriques exigent une concentration deux fois plus faible, il est évident que ce sera le réactif limitant. L'avancement sera alors de 2,10-4 mol.l -1. D'où c (I2), f = mol.l Composition du système pour t = 300 s. A t= 300 s, l'avancement vaut : 0, mol On en déduit alors la composition du système : n H2O2,300s = n H2O2,i -x = 2, , = 1, mol n I-, i, 300s = n I-, i -2x = 2, * 0, = 1, mol.l -1 D'où n (I2) = x max = 0, mol. 5/6

6 Enoncés des exercices 5 et 21 P94 et98 du livre Bordas 1 S 6/6

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