Lundi 20 avril Devoir : Réactions acido-basique / Cristallographie

Transcription

1 Lundi 20 avril Devoir : Réactions acido-basique / Cristallographie Traiter au choix 2 exercices parmi les 3 proposés. (Seuls les 2 premiers qui sont sur votre copie seront corrigés. ) Exercice 1 : Atour de la vitamine C (2) Données : pka 1 (AscH 2 /AscH - ) = 4,2 ; pka 2 (AscH - /Asc 2- ) = 11,6 Masses molaire : Acide ascorbique M(AscH 2 )=176,0 g/mol et ascorbate de sodium : M(AscHNa) = 198g/mol). Solutions de vitamine C : La vitamine C est présente dans les agrumes, des fruits et les légumes frais en quantité variable. Elle intervient dans l élaboration des tissus, dans la formation des vaisseaux et stimule la formation des globules rouges. Les besoins journaliers pour un être humain sont de l ordre de 90mg. La vitamine C, dont le nom est acide ascorbique, est un diacide noté AscH 2. Cette molécule peut également être facilement oxydée. 1- Dresser le diagramme de prédominance des espèces acido-basiques issue de l'acide ascorbique en fonction du ph de la solution. 2- On dissout dans l'eau un comprimé contenant 500mg d'acide ascorbique dans une fiole jaugée de volume V=200mL (Solution S). Déterminer la composition de la solution et le ph à l'équilibre. 3- La vitamine C existe aussi en comprimé tamponné, réalisée en mélangeant l'acide ascorbique AscH 2 et de l'ascorbate de sodium AscHNa. Un comprimé de vitamine tamponnée de masse m=500mg en principe actif (c'est-à-dire en acide asbcorbique sous ses deux formes : diacide et monoacide) est dissous dans V'=100mL d'eau distillée. La solution obtenue a un ph égal à 4,4. Déterminer la masse d'acide ascorbique et la masse d'ascorbate de sodium contenues dans ce cachet. Titrage de la solution S, suivi ph-métrique : 4- Réaliser un schéma du montage mis en place pour titrer la solution S avec de l'hydroxyde de sodium de concentration 10-2 mol/l. 5- Dessiner l'allure de la courbe de ph que l'on devrait obtenir. Comment peut-on à partir de cette courbe déterminer la valeur des pka de l'acide ascorbique? Justifier votre réponse brièvement.,5 Titrage par retour de la vitamine C dans le citron : En réalité, la méthode proposée précédemment pour titrer la vitamine C ne convient pas dès lors que l'on s'intéresse à du jus de citron. En effet, la vitamine C réagit lentement, de plus elle s'oxyde à l'air se qui fausse le titrage et pour finir le citron contient d'autres acides qui pourrait être titré. On se propose de réaliser un titrage par retour (appelé aussi titrage indirect) : Principe du titrage : On fait réagir la vitamine C avec un excès de diiode I 2 (aq). On ajoute quelques gouttes d'empois d'amidon, le diiode forme avec l'amidon un complexe donnant à la solution une coloration bleue foncée. On dose alors le diiode restant par une solution de thiosulfate de sodium. On mesure le volume du jus d'un citron : V 0 = 40,0mL. A un volume V 1 =10,0mL de ce jus, on ajoute un volume V 2 =10mL d'une solution de diiode de concentration molaire c 2 =5, mol/l et quelques gouttes d'empois d'amidon. L'excès de diiode est dosé par une solution de thiosulfate de sodium (2Na + +S 2 O 3 2- ) de concentration molaire c 3 =5, mol/l. La solution se décolore pour un volume versé en

2 thiosulfate de 5,00 ml. Couples mis en jeu (oxydant/réducteur) : C 6 H 6 O 8 /Acide ascorbique C 6 H 8 O 6 I 2 /I - S 4 O 6 2- /S 2 O Ecrire l'équation de la réaction entre l'acide ascorbique et le diiode. (en milieu acide, vous pouvez équilibrer avec H + ) 7- Ecrire l'équation de la réaction de titrage entre le diiode et les ions thiosulfate. 8- Déterminer la quantité de matière de diiode titrée. En déduire la quantité de diiode ayant réagit avec la vitamine C. 9- Montrer que la quantité de matière d'ascide ascorbique présent dans un citron est de 1, mol. 10- Comment de citron faut-il consommer par jour pour répondre à la demande en vitamine C? Exercice 2 : Acidification des océans (3) Moules et huîtres menacées par l acidification des océans Depuis le début de l ère industrielle, les émissions anthropiques (1) de dioxyde de carbone (CO 2 ) dans l atmosphère ont fortement augmenté Frédéric Gazeau, chercheur à l Institut Néerlandais d Écologie, et ses collègues dont Jean-pierre Gattuso, directeur de recherche au laboratoire d Océanographie de Villefranche-sur-mer (CNRS/Université Pierre et Marie Curie) ont examiné la réponse des huîtres et des moules cultivées en Europe à l acidification des océans. Les résultats, publiés dans la revue Geophysical Research Letters, sont sans appel : ils montrent pour la première fois que ces mollusques seront directement affectés par le bouleversement en cours de la composition chimique de l eau de mer. Au-delà de leur intérêt commercial, les moules et les huîtres rendent des services écologiques très importants : elles créent par exemple des habitats permettant l installation d autres espèces, contrôlent en grande partie les flux de matière et d énergie et sont d importantes proies pour les oiseaux au sein des écosystèmes qui les abritent. Un déclin de ces espèces aurait donc des conséquences graves sur la biodiversité des écosystèmes côtiers et sur les services qu elles rendent aux populations humaines. Note (1) : anthropique : lié aux activités humaines. d après Les documents utiles à la résolution de cette partie sont donnés en fin de l exercice. 1- Rappeler quels sont les couples associés au dioxyde de carbone (CO 2 ; H 2 O ou H 2 CO 3 ) et donner les demies-équations associées à chaque couple. 2- a Attribuer à chaque courbe du document 3, l'espèce chimique à laquelle elle se réfère. 2-b Déterminer la valeur du pka associée aux couples du dioxyde de carbone. Justifier brièvement 3- Expliquer qualitativement pourquoi une augmentation de la quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère conduit à une diminution du ph dans l'eau. 4- La teneur en CO 2 de l'atmosphère qui était de bar (0,02 % en volume) la fin des années 1970 est aujourd'hui de 3, bar. 4a- Montrer que la concentration en CO 2 (aq) dissoute à l'heure actuelle est de 1, mol/l.,5 4b- Déterminer le ph de l'eau.

3 (Attention : vous ne trouverez pas des valeurs de ph similaires à celles que l'on peut lire sur le document 1 pour cette question, c'est logique car dans l'étude de la question 4, nous considérons uniquement le dioxyde de carbone, mais l'eau de l'océan contient d'autres espèces chimiques au caractère acido-basique). 5- Solubilité du dioxyde de carbone en fonction du ph : La solubilité du dioxyde de carbone est régit à la fois par l'équilibre de partage air/eau et les différents équilibres acido-basiques dont vous avez déjà déterminer les constantes d'équilibres précédemment : 1 CO 2( g) =CO 2(aq) K 1 = 3, CO 2(aq) +H 2 O=H 2 CO 3 (aq) K 2 = 2, H 2 CO 3 (aq) +H 2 O (l ) =HCO + 3(aq) + H 3 O (aq) K A1 4 HCO 3 (aq) +H 2 O (l ) =CO 2 3 (aq ) +H 3 O (aq) + K A2 La solubilité est définie comme la quantité totale de dioxyde de carbone dissoute, en prenant compte des différentes formes, par conséquent : s=[co 2(aq) ]+[ H 2 CO 3(aq) ]+[ HCO 3(aq) ]+[CO 2 3(aq) ] 5a- Montrer que la solubilité peut se mettre sous la forme : s=p CO2 (a+b+ c [ H 3 O + ] + d [ H 3 O + ] ) 2 où a, b,c et d sont des constantes dont vous donnerez l'expression en fonction de K 1, K 2, K A1 et K A2. 5b On donne le diagramme de solubilité du dioxyde de carbone en fonction du ph : Justifier l'allure du diagramme entre ph = 0 et ph = 6,4. Vous vous appuierez pour cela sur des approximations faites à partir du diagramme de prédominance du CO 2. De la même manière, justifier l'allure du diagramme entre ph = 6,4 et ph=10,3. 6- Question argumentée : En vous appuyant sur les documents, les réponses aux différentes questions et vos connaissances personnelles : Expliquer comment l'activité de l'homme a un impact sur les organismes marin possédant une coquille à base de carbonate de calcium. /3 Votre synthèse doit faire 15 lignes au maximum, vous veillerez à bien préciser les équilibres mis en jeu.

4 Document 1 : Evolution depuis 1958 de la composition en CO 2, dans l'atmosphère à Mauna Loa (Hawaii) de la pression de CO 2 dans l'océan et du ph de l'océan. La courbe représentant la concentration en dioxyde de carbone dans l atmosphère exprimée en ppmv (partie par million par volume) n est qu une indication de l évolution de cette concentration sans souci d échelle. Document 2 : Equilibre de dissolution du dioxyde de carbone : La dissolution d un gaz dans l eau obéit à la loi de Henry selon laquelle à température constante, la concentration C du gaz dissous est proportionnelle à la pression partielle p qu exerce ce gaz au-dessus du liquide. À chaque instant un pourcentage constant des molécules du gaz dissous dans la phase liquide repasse à l état gazeux et s échappe du liquide mais dans le même temps le même pourcentage des molécules de ce gaz passe en solution. Lorsque les deux flux se compensent, l équilibre de saturation est atteint, soit pour le dioxyde de carbone : CO 2 (g) = CO 2 (aq) La constante d'équilibre associée à cet équilibre est : K 1 =3,

5 Document 3 : Diagramme de distribution des couples du dioxyde de carbone : Document 4 : Réaction de dissolution du carbonate de calcium : En présence d un excès de dioxyde de carbone, le carbonate de calcium CaCO 3(s) se dissout selon l équation : CaCO 3 (s) + CO 2 (aq) + H 2 O ( l) = Ca 2+ (aq) +2 HCO 3 (aq)

6 Exercice 3 : Cristallographie (2) Les deux parties sont totalement indépendantes et non absolumment rien à voir l'une avec l'autre Partie 1 : Iodure cuivreux : ionique ou covalent? L'iodure cuivreux CuI cristallise avec une structure de type blende qui peut s'analyser suivant les deux modèles ionique ou covalent de la liaison chimique. Modèle ionique? 1- Les ions iodures de rayon R(I - ) = 220pm occupent les positions classiques d'un réseau cubique à faces centrées, les ions Cu +, de rayon R(Cu + ) = 96pm s'insérant dans un site tétraédrique sur deux (comme le diamant). Les anions et cations sont en contact. 1-a Représenter la maille et indiquer la population de chaque ion.,5 1-b Quelle condition doit vérifier le rapport R(Cu + )/R(I - ) pour que les anions ne soient pas en contact?,5 Cette condition est-elle respectée ici? 1-c Déterminer la valeur théorique a 1 du paramètre de maille. 1-d Comparer cette valeur à la valeur réelle du paramètre de maille a=615pm. Discuter de la validité du modèle ionique. Modèle covalent? 2-a Donner la structure électronique du cuivre (Z =29) et de l'iode (Z=53), les situer dans le tableau périodique. Que pouvez-vous de la différence d'électronégativité entre ces deux éléments? L'hypothèse de la liaison covalente vous parait-elle cohérente?,5 2-b Sachant que les rayons covalents du cuivre et de l'iode sont respectivement égaux à 117 et 133pm. Déterminer la valeur théorique du paramètre de maille a 2 et conclure sur la nature de la liaison entre le cuivre et l'iode.,5 Partie 2 : Problème autour du fullerène (ou footballène). Le fullerène (du nom de l'ingénieur et philosophe Buckminster Fuller) ou footballène a été découverte en Ce composé cristallise selon une structure cubique à faces centrées parfaite (compacte), chaque motif étant un ensemble d'atomes de carbone, prenant une structure sphérique semblable à un ballon de football. Sachant que le paramètre de maille de la structure est de 1400pm et que la masse volumique du composé est 1742 kg.m -3 : 1- Déterminer le nombre d'atome de carbone dans un motif de fullerène. 2- Déterminer le rayon d'un motif de fullerène. 3- Déterminer la compacité de la structure. Commenter cette valeur. Molécule de Fullerène (motif) Données : M(C) = 12,0 g/mol N A =6, mol 1 Rayon covalent du carbone : R(C) = 76pm