TS Devoir surveillé N 4 lundi 25/01/2016. Nom et Prénom :..

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1 TS Devoir surveillé N 4 lundi 25/0/206 Nom et Prénom :.. Exercice : Vrai-Faux, Réactions acido-basiques (6 points) Les solutions aqueuses considérées sont prises à 25 C. Produit ionique de l eau : K e =, Volume molaire dans les conditions de l expérience : V m = 24,0 L.mol -. Couples de l eau : H O + / H 2 O et H 2 O /HO -. Couple acide éthanoïque / ion éthanoate : CH COOH / CH COO - ; K a =, Couple ion ammonium / ammoniac : NH 4 + / NH ; K a2 = 6,.0-0. Zones de virage de quelques indicateurs colorés : Indicateur Hélianthine Bleu de bromothymol Rouge de Crésol Phénolphtaléine Zone de virage,2-4,4 6,0-7,6 7,2-8,8 8,2-0 Cet exercice comporte 9 affirmations numérotées de.a à.d Répondre à chaque affirmation par VRAI ou FAUX. Toute réponse doit être accompagnée de justifications (définitions, calculs, justifications graphiques). - Solution d acide éthanoïque. Le ph d une solution aqueuse d acide éthanoïque de concentration molaire C =,0.0-2 mol.l - est de,4. a/ L uation de réaction entre l acide éthanoïque et l eau s écrit : CH COOH (aq) + H 2 O (l) CH COO - (aq) +H O + (aq). b/ Cette transformation est limitée. c/ Le rapport [CH COO - aq] f /[CH COOH aq] f = Réaction de l ammoniac avec l eau. On dissout dans l eau 50 ml d ammoniac NH gazeux de manière à obtenir 200 ml de solution. La réaction de l ammoniac avec l eau s écrit : NH (g) + H 2 O (l) NH 4 + aq +HO - aq. a/ L ammoniac est un acide au sens de Brönsted. b/ La constante d acidité du couple contenant l ammoniaque s écrit : K A NH HO 4 NH 0,75 0,75 - Dosage de l acide méthanoïque par la soude. On réalise la simulation du titrage ph-métrique d un volume V a = 0,0 ml de solution aqueuse d acide méthanoïque HCOOH de concentration molaire C a =,5.0-2 mol.l - par une solution aqueuse d hydroxyde de sodium de concentration molaire C b =,0.0-2 mol.l -. L uation de la réaction servant de support au titrage est : HCOOH aq + HO - aq = HCOO - aq + H 2 O(l). La courbe ph = f(v b ) ainsi que les variations des pourcentages des espèces du couple acide méthanoïque/ion méthanoate en fonction du volume V b de solution d hydroxyde de sodium versé sont représentées ci-dessous. a/ Le pk a du couple HCOOH / HCOO - est égal à 5,0. b/ La courbe 2 est la courbe d évolution du pourcentage d acide méthanoïque. c/ Le volume uivalent est de 6 ml. d/ Le rouge de crésol peut être utilisé comme indicateur coloré de fin de réaction.

2 Exercice 2 : Chimie et piscine (8 points) L électrolyse de sel est une des techniques utilisées dans le traitement des eaux d une piscine. Cette technique permet d éviter l utilisation souvent excessive de produits chlorés pour le traitement de l eau. Un électrolyseur de sel pour piscine est constitué d un boîtier électronique et d une cellule d électrolyse insérée dans le circuit de filtration. La cellule contient des électrodes de titane recouvertes de métaux précieux : ruthénium et iridium. Quand l eau circule entre les électrodes aux bornes desquelles est appliquée une tension continue, un courant électrique continu s établit et l électrolyse du chlorure de sodium dissous (Na + (aq) + Cl (aq)) se produit. De l acide hypochloreux HClO (aq) (appelée chlore actif) est généré indirectement in situ. Cette espèce est particulièrement efficace pour désinfecter l eau de la piscine.. Influence du ph de l'eau de piscine Les quantités de dichlore et des formes acide ou basique de l acide hypochloreux, en solution, sont fonction du ph de la solution. Ainsi, à 25 C, les proportions de ces espèces en fonction du ph sont données par les courbes de la figure. Le ph d une eau de piscine doit être compris entre 7,2 et 7,6 pour le confort de la baignade. Pour les deux bornes de cet intervalle de ph, estimer les proportions de chacune des espèces chimiques. Ces proportions correspondent-elles à une désinfection optimale?,5 2

3 2. Dosage des ions chlorure Pour que l électrolyse soit efficace, l eau de piscine doit contenir entre et 5 grammes de sel par litre. Pour s assurer du bon fonctionnement du système de désinfection de sa piscine, un chimiste prélève un échantillon d eau de piscine qu il va analyser dans son laboratoire. Il procède à un dosage conductimétrique des ions chlorure présents dans l eau de piscine par les ions argent. L uation de la réaction support du titrage est la suivante : Ag + (aq) + Cl (aq) AgCl (s) Protocole du dosage : - Remplir la burette graduée avec la solution aqueuse titrante de nitrate d argent (Ag + (aq) + NO (aq) ) de concentration en soluté apporté c = 0,050 mol.l -. - Dans un bécher de 200 ml, introduire précisément 0,0 ml d eau de piscine prélevée et ajouter 90 ml d eau distillée. - Placer, dans le bécher, la cellule conductimétrique reliée au conductimètre. - Verser des volumes successifs de 2,0 ml de solution de nitrate d argent dans le bécher en maintenant en permanence une agitation. Relever après chaque addition la conductivité σ de la solution obtenue et rassembler les résultats dans un tableau. Données : Loi de Kohlrausch La conductimétrie est une méthode d analyse qui permet de mesurer la conductivité d une solution, c est-à-dire son aptitude à conduire le courant électrique. La conductivité σ d une solution ionique dépend de la nature des ions X i présents dans la solution et de leur concentration molaire [X i ]. Ainsi, pour une solution ne contenant que des ions monochargés, notés X, X 2, X, l expression de la conductivité s écrit : σ =.[X ] + 2.[X 2 ] +.[X ] + avec σ en S.m - ; i (conductivité molaire de l ion X i ) en S.m².mol - et [X i ] en mol.m -. Conductivités molaires ioniques des ions à prendre en considérations pour l étude : Ion Na + Ag + Cl NO (ms.m 2.mol ) 5,0 6,9 7,6 7,4 Masses molaires atomiques en g.mol : M(Cl) = 5,5 ; M(Na) = 2,0.

4 2.. Schématiser et légender le montage expérimental réalisé pour effectuer le dosage conductimétrique Quelles verreries doit-on utiliser pour introduire dans le bécher les 0,0 ml d eau de piscine à doser, puis les 90 ml d eau distillée? Justifier. 2.. a/ Identifier les espèces présentent dans le mélange avant l'uivalence, puis après l'uivalence. b/ En déduire l expression de la conductivité σ du mélange avant l'uivalence, puis celle après l'uivalence Interpréter qualitativement les variations de la conductivité avant et après l uivalence Donner l allure de la courbe de titrage σ = f(v Ag+ ) représentant la conductivité σ du mélange en fonction du volume de solution de nitrate d argent versé et justifier la position du point d uivalence sur cette courbe. Le volume versé à l uivalence est V E = 5,0 ml En explicitant votre démarche, déterminer la concentration molaire en ions chlorure de l eau de piscine Est-il nécessaire de rajouter du sel dans la piscine? Justifier. Exercice : Lancer parabolique (6 points) Intervalle de temps : = 40 ms Echelle de vitesse : cm m.s - Echelle d accélération : cm 2 m.s -2 Faire les mesures et calculs nécessaires pour tracer le vecteur accélération au point 5, en détaillant la méthode. 4

5 Exercice Correction - Solution d acide éthanoïque. a/ L uation de réaction entre l acide éthanoïque et l eau s écrit : CH COOH (aq) + H 2 O (l) CH COO - (aq) +H O + (aq). Vrai. Les couples acide / base intervenant sont : CH COOH / CH COO - ; H O + / H 2 O. L'acide CH COOH du premier couple échange un proton avec la base H 2 O du second couple. b/ Cette transformation est limitée :. Vrai. [H O + (aq)] = 0 -ph = 0 -,4 4,0.0-4 mol/l ǂ c : Cette transformation est limitée carla réaction entre l acide éthanoïque et l eau n est pas totale. c/ Le rapport [CH COO - aq] f /[CH COOH aq] f = 25. Faux. ère méthode : ph = pka + log ([CH COO - aq] f / [CH COOH aq ] f ) ; pka =- log (,6.0-5 ) =4,8 log ([CH COO- aq] f / [CH COOH aq] f ) =,4-4,8 = -,4 [CH COO - aq] f / [CH COOH aq ] f =0,04. 2 ème méthode : Ka CH COO H O - + CH COOH - ph CH COO 0 CH COOH CH COO - Ka 0 ph CH COOH 5, 6.0 0,04, Réaction de l ammoniac avec l eau. On dissout dans l eau 50 ml d ammoniac NH gazeux de manière à obtenir 200 ml de solution. La réaction de l ammoniac avec l eau s écrit : NH (g) + H 2 O (l) NH 4 + aq +HO - aq. c/ L ammoniac est un acide au sens de Brönsted. Faux. L'ammoniac est susceptible de gagner un proton NH + H + NH 4 + : c'est une base selon Brönsted NH 4 HO d/ La constante d acidité du couple contenant l ammoniaque s écrit : + NH H O Faux : Ka NH 4 K A NH - Dosage de l acide méthanoïque par la soude. a/ Le pk a du couple HCOOH / HCOO - est égal à 5,0 Vrai : Lorsque ph = pka, [HCOOH ] = HCOO-] ce qui correspond à l intersection des courbes et 2 soit un ph = 5 = pka b/ La courbe 2 est la courbe d évolution du pourcentage d acide méthanoïque. Vrai : Initialement le ph =2,8, valeur inférieur au pka, l'acide méthanoïque est largement majoritaire c/ Le volume uivalent est de 6 ml. Faux d après la méthode des tangentes : V E =5 ml d/ Le rouge de crésol peut être utilisé comme indicateur coloré de fin de réaction. Vrai.La zone de virage du rouge de crésol contient le ph du point uivalent. 5

6 Exercice 2. Influence du ph de l'eau de piscine En utilisant la courbe représentative du pourcentage de HClO en fonction du ph, on détermine graphiquement l ordonnée du point d abscisse 7,2. Afin d être le plus précis possible, on détermine les échelles horizontales et verticales du diagramme. 4 unités de ph,8 cm 7,2 unités de ph x cm soit x =,8 7,2 = 7, cm 4 Déterminons le pourcentage de HClO correspondant : 8,4 cm 00% 5, cm y % soit y = 00 5, = 6% de HClO 8,4 La lecture graphique montre que le pourcentage de dichlore Cl 2 vaut 0 % La somme des pourcentages de ces trois espèces chlorées doit être égal à 00%. On en déduit que le pourcentage de ClO est égal à 00 6 = 7%. On effectue le même travail pour un ph = 7,6. 4 unités de ph,8 cm 7,6 unités de ph x cm soit x =,8 7,6 = 7,5 cm 4 Déterminons le pourcentage de HClO correspondant : 8,4 cm 00% 4, cm y % soit y = 00 4, = 49% de HClO 8,4 La lecture graphique montre que le pourcentage de dichlore Cl 2 vaut 0 % On en déduit que le pourcentage de ClO est égal à = 5%. Le texte introductif précise que l acide hypochloreux HClO est efficace pour désinfecter l eau de la piscine. D après nos mesures, il ne représente qu entre 49 et 6% des espèces chlorées présentes dans la piscine. Ces proportions ne correspondent pas à une désinfection optimale, il serait souhaitable qu elles soient plus élevées. Cependant pour obtenir 00% de HClO, il serait nécessaire que le ph de la piscine soit d environ 5,5 ; ce qui ne serait pas compatible avec le critère de confort de la baignade. 2. Dosage des ions chlorure 2.. Montage expérimental pour effectuer le dosage conductimétrique : Support Conductimètre burette contenant la solution aqueuse titrante de nitrate d argent (Ag + (aq) + NO (aq) ) de concentration en soluté apporté c = 0,050 mol.l - Becher contentant contenant V = 0,0 ml d eau de piscine et 90 ml d eau distillée Agitateur magnétique 6

7 2.2. Pour introduire dans le bécher les 0,0 ml d eau de piscine à doser, il faut utiliser une pipette jaugée qui mesure précisément le volume. Tandis que l ajout des 90 ml d eau distillée ne nécessite pas une grande précision et est réalisé avec une éprouvette graduée. 2.. Avant l uivalence : Le milieu réactionnel contient des ions Na + et Cl apportés par le sel, des ions NO apportés par la solution titrante. Les ions Ag + sont consommés dès leur arrivée dans le milieu et ne contribuent pas à la conductivité. Le solide AgCl formé en conduit pas le courant. Ainsi σ = λ(no ).[NO ] + λ(na + ).[Na + ] + λ(cl ).[Cl ] Au-delà de l uivalence : Le milieu réactionnel contient des ions Na + spectateurs donc toujours présents. Il n y a plus de Cl, ils ont été totalement consommés. Des ions NO sont encore apportés par la solution titrante et ils ne réagissent pas. Les ions Ag + apportés ne réagissent plus et s accumulent en solution. Ainsi σ = λ(no ).[NO ] + λ(na + ).[Na + ] + λ(ag + ).[Ag + ] 2.4. Avant l uivalence : À chaque ajout d un ion Ag +, il y a consommation d un ion Cl, et simultanément il y a un apport d un ion NO. Tout se passe comme si les ions Cl étaient progressivement remplacés par des ions NO. La conductivité molaire ionique λ des ions NO étant légèrement inférieure à celle des ions Cl, alors la conductivité σ diminue. Au-delà de l uivalence : On ajoute progressivement des ions NO et Ag + qui ne réagissent pas ; ils s accumulent dans la solution et contribuent à faire augmenter la conductivité σ Conductivité σ du mélange en fonction du volume V de solution de nitrate d argent versé : σ (S.m - ) V (ml) Le point d uivalence correspond au volume pour lequel la conductivité est minimale, et il se produit un changement de pente À l uivalence les réactifs ont été mélangés dans les proportions stœchiométriques ainsi n(ag + )versée = n(cl )initiale c.v E = c.v où c représente la concentration molaire en ions chlorure de l eau de piscine. c = cv. E = 0,050 5,0 = 7,5 0 2 mol.l - V 0,0 Remarque : il ne faut pas tenir compte du volume de 90 ml d eau distillée, en effet il n apporte pas d ions Cl Pour que l électrolyse soit efficace, l eau de piscine doit contenir entre et 5 grammes de sel (NaCl) par litre. Il faut transformer la concentration molaire c en concentration massique c m, on a c m = c x M(NaCl) c m = 7,5 0 2 (5,5+2,0) = 4,4 g.l -. Cette concentration massique est bien comprise dans l intervalle attendu, il n est pas nécessaire de rajouter du sel dans la piscine. 7

8 Exercice : Lancer parabolique (6 points) Intervalle de temps : = 40 ms Echelle de vitesse : cm m.s - Echelle d accélération : cm 2 m.s -2 Déterminons l échelle utilisée pour les distances :,5 cm m M M 5 = 2,8 cm sur papier soit : 0,24 m M 5 M 6 =,4 cm sur papier soit : 0,0 m MM 5 V = V = =,8 m.s 4 4 V = V 6 6 2τ M M 5 7 2τ =4,2 m.s (,0 m.s - ) (,8 m.s - ) On trace les vecteurs vitesse : V et V 4 6 Ils sont tangents à la trajectoire et ont le même sens que le mouvement. En tenant compte de l échelle leur longueur respective est :,0 cm et,8 cm On trace V V V L échelle permet de donner la norme ΔV 5 =0,8 m.s On en déduit ΔV 5 2 a = =0 m.s 5 2τ Sur la copie cela correspond à un vecteur accélération colinéaire à V et compte tenu de l échelle de 5 longueur : 5 cm 8