PCSI Brizeux TD SOL1 Altmayer-Henzien

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1 Ce qu il faut connaître : - Notion de couple acido-basique et définition de la constante d acidité K A. - Notions d acide fort, acide faible, base forte, base faible, ampholyte, polyacide, polybase. - Exemples usuels d acides et de bases (acides sulfurique, nitrique, chlorhydrique, phosphorique et acétique, soude, potasse, ion hydrogénocarbonate, ammoniac). - Notions de diagramme de prédominance et de distribution. - Notions de réaction prépondérante et de système équivalent. - Notion de solution tampon. - Caractéristiques d'une réaction de titrage, notion d'équivalence. (cf TP 11) - Principe de la ph-métrie, d'un indicateur coloré, de la conductimétrie. (cf TP 11) Ce qu'il faut savoir faire : - Etablir le bilan d une réaction acido-basique et déterminer sa constante d équilibre. - Tracer et exploiter des diagrammes de prédominance. Ex 1, 6 - Tracer et exploiter des diagrammes de distribution. Ex 2 Ex 3, 4, 5, 6, 7, DM - Déterminer l état d équilibre d un système siège d une unique réaction acido-basique. Ex 3, 4, 7 - Utiliser la méthode de la réaction prépondérante pour simplifier des systèmes plus complexes et déterminer les concentrations des différentes espèces à l équilibre. - Repérer l'équivalence d'un titrage, savoir l'exploiter pour déterminer des quantités de matière inconnues. Ex 5, 6 TP 11, DM - Savoir exploiter les équivalences d'une courbe en présentant plusieurs. TP 11, DM - Commenter la précision des méthodes de titrage. TP 11, DM Pour s'entraîner Exercice 1 : Diagramme de prédominance d'un acide aminé Les acides α-aminés ont pour formule générale R CH(NH! ) COOH. On constate la présence d'une fonction acide carboxylique et d'une fonction amine en position α. L'acide α-aminé le plus simple est la glycine, de formule H! N CH! COOH. On pourra raisonner par analogie avec les couples connus : CH! COOH/CH! COO! et NH!! /NH!. 1. Comment se comporte la glycine en milieu acide? 2. Comment se comporte la glycine en milieu basique? 3. Justifier que la glycine n'existe pas sous la forme moléculaire (= non chargée) mais sous la forme d'un diion, appelé amphion ou zwittérion en milieu aqueux neutre. 4. En déduire le diagramme de prédominance des diverses formes issues de la glycine en milieu aqueux sachant que pk A,1 = 2,3 et pk A,2 = 9,6. Exercice 2 : Diagramme de distribution de l acide citrique L acide citrique de formule C 6 H 8 O 7 est un triacide noté H 3 A, présent en abondance dans le citron. On donne ci-dessous son diagramme de distribution en fonction du ph. Les courbes tracées représentent le pourcentage de chacune des espèces contenant du «A» lorsque le ph varie. 1/5

2 1. Identifier l espèce correspondant à chacune des courbes. 2. En déduire les constantes pk A,i et K A,i relatives aux trois couples mis en jeu (i = 1, 2, 3) ,0 ml de solution ont été préparés en dissolvant 1,05 g d acide citrique monohydraté C 6 H 8 O 7,H 2 O. Calculer la concentration apportée C et déterminer à partir de C et du diagramme la composition du mélange à ph = 4,5. Exercice 3 : ph d une solution de base faible On considère, à 25 C, une solution aqueuse d'ammoniaque NH 3 de concentration C! = 1,00 10!! mol L!!. 1. Ecrire l'équation de la réaction de plus grande constante d'équilibre et calculer sa valeur. 2. Déterminer la composition du système à l'équilibre. 3. En déduire le ph de la solution d'ammoniaque. Donnée : pk! NH!! /NH! = 9,2 à 25 C. Exercice 4 : ph d'une solution d'ampholyte Vous décidez de vous faire un bain de bouche avec du bicarbonate de soude, afin de soulager un début de mal de gorge. Pour cela, vous mélangez une cuillère à café de bicarbonate de soude (soit 5 ml) dans un grand verre d'eau (soit 250 ml). 1. Sachant que le bicarbonate de soude est le nom commun de l'hydrogénocarbonate de sodium, calculer la concentration molaire initiale en NaHCO 3 dans votre bain de bouche. 2. Déterminer alors la composition à l'équilibre et le ph de la solution contenue dans votre verre. Données : Masse molaire M(NaHCO 3 ) = 84 g mol 1 ; masse volumique ρ(nahco 3 ) = 2,2 g cm 3 pk!,! H! CO! /HCO!! = 6,4 et pk!,! HCO!! /CO!!! = 10,3. Pour aller plus loin Exercice 5 : Mélange d'acides et de bases Dans un litre d'eau à 298 K, on introduit 0,15 mol de chlorure d'hydrogène HCl, 0,10 mol d'hydrogénosulfure de sodium NaHS et 0,15 mol d'acétate de sodium CH 3 COONa, noté de manière abrégée AcONa. Déterminer la composition du système à l'équilibre chimique et le ph de la solution. Données à 298 K : pk!,! H! S/HS! = 7,0 ; pk!,! HS! /S!! = 13,0 ; pk!,! AcOH/AcO! = 4,8. 2/5

3 Exercice 6 : Comprimés de vitamine C La vitamine C, également appelée acide ascorbique, est un diacide noté AscH 2. 1) Donner les couples acido-basiques de l'acide ascorbique associés à chaque pk A. Quel adjectif permet de qualifier l'espèce AscH? Dresser le diagramme de prédominance de l acide ascorbique. 2) On dissout dans l eau un comprimé contenant m = 500 mg d acide ascorbique AscH 2 dans une fiole jaugée de volume V = 200 ml. En justifiant les approximations réalisées, calculer le ph de la solution obtenue. 3) La vitamine C existe aussi en comprimé tamponné, réalisé en mélangeant de l acide ascorbique AscH 2 et de l ascorbate de sodium AscHNa. Un comprimé de vitamine C tamponné de masse m = 500 mg en principe actif (c'est-à-dire à la fois AscH 2 et AscH ) est dissous dans V = 100 ml d eau distillée. La solution obtenue a un ph de 4,4. Déterminer la masse d acide ascorbique et la masse d ascorbate de sodium contenues dans ce cachet. Données à 298 K : pk A,1 = 4,1 et pk A,2 = 11,6. Masse molaire M(AscH 2 ) = 176 g mol 1 Exercice 7 : Préparation d'une solution tampon On dispose de : - une solution d acide acétique à 0,1 mol L 1 - une solution d acétate de sodium à 0,1 mol L 1 - une solution d acide chlorhydrique à 0,1 mol L 1 - une solution de soude à 0,1 mol L 1 Proposez 3 méthodes pour fabriquer 1 litre d'une solution tampon à ph = 4,8. Données : pk A (CH 3 COOH /CH 3 COO ) = 4,8 3/5

4 DM11 : ETUDE DU DESTOP Le Destop est utilisé afin de déboucher les canalisations. Il est constitué d une solution aqueuse concentrée d hydroxyde de sodium Na + HO (aq) (à 20 % en masse) à laquelle on ajoute un colorant et de l ammoniac dont l odeur désagréable permet de ne pas le confondre avec de l eau. On souhaite vérifier la concentration C! en ammoniac indiquée par le fabricant : C! = 3,5 10!! mol L!!. DOCUMENT 1 : MODE OPERATOIRE» Distiller sous hotte un volume V! = 10,0 ml de Destop à l aide du montage ci-après ; le gaz formé (constitué d eau et d ammoniac) barbote et se dissout totalement dans un volume V! = 100 ml d acide chlorhydrique H! O + Cl (aq) de concentration égale à C! = 5,0 10!! mol L!!. On note (S) la solution obtenue après barbotage. Destop V! = 10,0 ml!h! O + Cl!(aq) V! = 100 ml C! = 5,0 10!! mol L!!» Au bout d une heure, remplacer l erlenmeyer collecteur par un barboteur rempli d eau distillée contenant de la phénolphtaléine. La solution dans le barboteur reste incolore.» Doser simultanément par ph-métrie et par conductimétrie la totalité de la solution (S) par une solution aqueuse d hydroxyde de sodium Na + HO (aq) de concentration C!. Repérer les deux équivalences V é!! et V é!!. DOCUMENT 2 : SIMULATION D'UNE COURBE DE DOSAGE Simulation des courbes de dosages ph-métrique et conductimétrique (la conductivité est notée gamma γ) d une solution aqueuse contenant un mélange de chlorure d ammonium NH! + Cl (aq) et d acide chlorhydrique H! O + Cl (aq) par une solution aqueuse d hydroxyde de sodium Na + HO (aq) 4/5

5 DONNEES A 25 C :» pk! (H! O /H! O) = 0 pk! (NH! /NH! ) = 9,2 pk! (H! O/HO ) = 14,0» Conductivités molaires ioniques à dilution infinie λ i à 25 C en ms m 2 mol 1 : H 3 O + HO Na + Cl NH!! 35,0 19,8 5,0 7,6 7,4» Phénolphtaléine : teinte acide (ph < 10) : incolore teinte basique (ph > 10) : rose RESOLUTION DE PROBLEME : Montrer en quoi le protocole expérimental permet de doser l ammoniac dans le Destop. Pour cela : 1. Expliquer qualitativement la nécessité de distiller l ammoniac au lieu de le doser directement. 2. Indiquer l intérêt de placer un barboteur contenant de la phénolphtaléine à la fin de la distillation. 3. Indiquer les espèces acido-basiques présentes dans la solution (S). 4. Proposer des équations pour les réactions de dosage par la solution aqueuse d hydroxyde de sodium. 5. Justifier le choix de ne pas se contenter d un dosage ph-métrique. 6. Interpréter l'allure de la courbe obtenue en conductimétrie (signe et comparaison des pentes). 7. Choisir la concentration C! pour avoir une valeur du volume V é!! à la seconde équivalence proche de 20 ml. 8. Etablir les relations exploitant les équivalences permettant de vérifier la concentration d ammoniac dans le Destop. En déduire l ordre de grandeur attendu pour le volume V é!! à la première équivalence. 5/5

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