Suivit de l évolution du système chimique

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1 Suivit de l évolution du système chimique I- Savoir calculer des quantités de matière ➄ L unité de la quantité de matière est la mole (symbole: mol ). ➄ Une mole est un ensemble qui contient toujours la même quantité d espèces, soit 6, espèces. 1- Comment déterminer la quantité de matière d un composé chimique A dans n importe quelle situation? Si A est un corps pur liquide ou solide Le volume qu il occupe V (en L) On calcule Sa densité d (sans unité): d = ρ(a) / ρ(eau) Sa masse volumique : ρ(a) = d ρ(eau) Sa masse volumique ρ(a) (en g.l -1 ) Sa masse m(a) (en g ): m(a) = ρ(a) V Sa masse m(a) (en g ) Sa masse molaire M(A) en g.mol -1 La quantité de matière n(a) est : n(a) = m(a) / M(A) Si A est un corps pur gazeux Le volume V (en L) qu il occupe On cherche dans l énoncé La valeur du volume molaire V M (enl.mol -1 ) Sa quantité de matière n(a) est (en mol ): n(a) = V / Vm La masse m(a) du gaz (en g ) On calcule La masse molaire M(A) du gaz en g.mol -1 La quantité de matière n(a) est : n(a) = m(a) / M(A) Si A est dissous en solution Sa concentration massique C (A) en g.l -1 aussi Le volume de solution V solution (en L) Sa concentration molaire C(A) (en mol.l -1 ) aussi le volume de solution V solution (en L) La quantité de matière n(a) est : n(a) = C(A) V solution Sa masse m(a) :m(a) = C (A) V solution Puis on calcule Sa masse molaire M(A) Sa quantité de matière : n(a) = m(a) / M(A)

2 - Comment réaliser une dissolution? -1 Etude préparatoire: On veut préparer une solution aqueuse d'un soluté A, de volume final V et de concentration molaire C. Quel nombre de moles de A seront nécessaires noté n 0 (A)?: n 0 (A) = C.V Quelle masse de A devra-t-on peser? (M A =Masse molaire de A): m= n 0 (A).M A = C.V. M A - Réalisation de la solution demandée 003,4 On pèse la quantité demandée à l'aide d'une balance Verser le solide dans une fiole jaugée (rincée à l'eau distillée) à l'aide d'un entonnoir. Remplir environ aux ¾ avec de l'eau distillée et agiter jusqu'à dissolution complète du solide. Complétez avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge et agiter pour homogénéiser la solution. 3- Comment réaliser une dilution? Préparation à partir d une «solution mère» -1 Etude préparatoire: Solution Solution mère : solution de départ que l'on souhaite diluer Concentration en mol.l -1 C 0 La solution mère a toujours la concentration la plus élevée Volume en L volume qui doit être prélevé (inférieur au volume final obtenu!) Quantité de matière en mol Solution fille : solution finale C 1 la solution fille a toujours la concentration la plus faible V 1 volume final obtenu n 0 = C 0 x n 1 = C 1 x V 1 La quantité de matière de soluté n'est pas modifiée lors de la dilution : n 0 = n 1 C 0 x = C 1 x V 1 = C 1 C 0 x V 1 - Réalisation de la solution demandée Pipeteur 1 3 Eau Pipette jaugée à Fiole jaugée de volume On prélève le volume à l aide d une pipette munie d un pipeteur. - -

3 On le verse dans la fiole jaugée et on ajoute de l eau distillée aux ¾. On agite. On complète jusqu au trait avec de l eau distillée. - Réalisation de la solution demandée -3 Facteur de dilution Le facteur de dilution indique la façon dont on a dilué la solution: Si la solution mère est diluée x fois, cela veut dire que : x = V 1 = C 0 C Système chimique: x est appelé facteur de dilution. II- Application au suivi d'une transformation chimique. Un système chimique est constitué d'espèces chimiques ( molécules, ions simples ou polyatomiques) Etat initial. (réactifs) Les réactifs se transforment pour donner Etat final. (Produits ou produit et de réactifs restants) La transformation chimique est modélisée par une équation chimique. Les coefficients de l équation sont les coefficients stœchiométriques. Au cours du temps, la transformation «progresse» ou «avance» d où la notion : D AVANCEMENT de la réaction noté X - Notion d avancement chimique L avancement d une réaction chimique est une grandeur notée x, exprimée en mol, qui permet de déterminer les quantités de matière des espèces chimiques présentes dans le système au cours de sa transformation, c est à dire de dresser un bilan de matière du système chimique en évolution. a- Définition : L avancement x d une transformation chimique, à l instant t, est la quantité de matière disparue (pour un réactif) ou apparue (pour un produit), divisé par le nombre stœchiométrique correspondant. L avancement s exprime en mole. b- Avancement volumique: Si les constituants du système forment une phase de volume constant V, on définit l avancement volumique y = x V y s exprime (en mol.l -1 ). Considérons la réaction chimique modélisée par l'équation : a.a + b.b c.c + d.d A et B sont les réactifs, C et D les produits et a, b, c et d sont les nombres stœchiométriques. Les notations utilisées dans la suite sont résumées ci-dessous: x : avancement de la réaction n(a) 0 : quantité de matière initiale de A n(a) : quantité de matière de A à la date t n(a) f : quantité de matière finale de A Il en est de même pour les autres espèces. n A) L avancement x à un instant t>0 est définie par : x = ( 0 0 = n( A) n( B) n( B) n( C) = = a b c n( D) d Ainsi si on une quantité de matière disparu ou apparu à un instant. On peut calculer les autres d après l avancement x 3- Le tableau d avancement : On dresse un tableau indiquant les quantités de matières des différentes espèces chimiques dans l état initial, au cours de la transformation chimique et dans l état final grâce à l expression de l avancement. Le tableau d'avancement de la réaction, est -3 -

4 Equation de la réaction : a.a + b.b c.c + d.d Etat Avancement Quantités de matière en moles initial (E.I) x = 0 n(a) 0 n(b) intermédiaire x n (A)= n (A) 0 a.x n (B)= n(b) 0 b.x (C) = c.x n (D) = d.x final (E.f) x f n f (A)= n (A) 0 a. x f n f (B)= n(b) 0 bx f n f (C) = c.x f n f (D) = d.x f Car A est un réactif donc sa quantité de matière diminue Quantité de matière de A restante à la date n(a) = n(a) 0 a. x Quantité de matière de A ayant réagie à la date t Quantité de matière initiale de A 4- Avancement maximale et réactif limitant : Réaction chimique totale ; réactif limitant ; réactifs en excès. Une réaction chimique est dite totale si un des réactifs disparaît complètement : on l appelle réactif limitant. La quantité de matière du réactif limitant est nulle dans l'état final. Les autres réactifs dont la quantité de matière n'est pas nulle dans l'état final sont appelés réactifs en excès. 4- Avancement maximale d une réaction chimique. L avancement maximale d une réaction chimique, notée x max, est la valeur de son avancement final x f lorsque le réactif limitant a disparu entièrement. Tant qu'on ne connaît pas lequel est le réactif limitant, on va faire la supposition suivante : Si A est le réactif limitant, on aura :.. Si B est le réactif limitant, on aura :.. L avancement maximal x max est calculable comme étant la plus petite valeur de l avancement qui annule la quantité de matière de l un des réactifs : ce réactif constitue alors le réactif limitant. 4-3 Courbe d évolution de l avancement au cours du temps x f x=f(t) en mol si x f = x max : La réaction est totale si x f < x max : La réaction est limitée 4-4 Temps de demi-réaction : ( t 1/ ) C est la durée au bout de la quelle l avancement de la réaction atteint la moitié de sa valeur finale : x(t 1/ ) = x f x f t 1/ t en (unité de temps) 4-5 Taux d'avancement d'une réaction chimique : ( τ) - 4 -

5 III- Exercices d'application. Exercice N 1 : Déterminer un volume, une masse ou une quantité de matière d un liquide. Recopier et compléter le tableau suivant : Liquide Acide éthanoïque Benzaldéhyde Alcool benzylique C H 4 O C 7 H 6 O C 7 H 8 O Masse molaire M (g / mol) Masse volumique ρ (g / ml) 1,05 1,05 1,04 Volume V (ml) 1 Masse m (g) 15,0 Quantité de matière n (mol) 0,100 Exercice N : Solution d éthanol Une Solution aqueuse S 1 d éthanol à 95 % en volume contient 95 ml d éthanol de formule C H 6 O dans un volume de 100 ml de solution. La densité de l éthanol pur est d = 0,79. 1 ) Calculer la masse d éthanol dans 100 ml de solution S 1. ) Quelle est la concentration molaire C 1 de l éthanol dans cette solution. 3 ) On souhaite préparer, à partir de cette solution, un volume V = 100,0 ml de solution S à 70 % a)- Calculer le volume V 1 de la solution S 1 à prélever. b)- Décrire le mode opératoire de cette préparation en précisant les règles de sécurité à suivre. Donnée : masse volumique de l eau : ρ 0 = 1000 g / L Exercice N 3 : Dans un erlenmeyer contenant un volume V = 100mL d une solution aqueuse d acide chlorhydrique ( H 3 O + ) de concentration C =.10-1 mol.l -1, on introduit 1,3g de grenaille de zinc. 1- Ecrire l équation chimique de la réaction d oxydoréduction qui a lieu dans le système. - Déterminer les quantités de matière des réactifs mis en présence et déduire le réactif limitant. 3- Dresser le tableau descriptif du système. 4- En supposant que la réaction est totale, déterminer son avancement final x f ainsi que les quantités de matière des différentes espèces dans l état final. On donne la masse molaire atomique du zinc : M zn =65g.mol -1. Exercice N 4 : Dans une fiole jaugée de 0,5L, partiellement remplie d eau distillée, verser 1mL d acide éthanoïque pur, prélevée à l aide d une pipette, puis compléter jusqu au trait de jauge avec de l eau distillée, homogénéiser la solution obtenue et mesurer son ph. 1- Sachant que la densité de l acide éthanoïque est d = 1,05, sa masse molaire M = 60,05g.mol -1 Déterminer la quantité de matière initiale d acide éthanoïque. - Ecrire l équation chimique de la réaction qui se produit entre l acide éthanoïque et l eau. 3- Déterminer l avancement maximal de la réaction. 4- A l aide du ph mesuré (ph = 3,1), déterminer l avancement final de la réaction. 5- Comparer les avancements maximal et final. Exercice N 5 : A l'instant t 0 = 0s, on mélange V 1 = 50cm 3 d'une solution aqueuse d'iodure de potassium KI de molarité C 1 = 0,5mol.L -1 et V = V 1 d'une solution de peroxodisulfate de potassium K S O 8 de molarité C = 0,4mol.L

6 Pour déterminer la composition du système à la date t 1 = 300s, on prélève un volume V = 0 cm 3 du mélange et pour faire disparaître la couleur jaunâtre; il faut ajouter au prélèvement un volume V 3 = 7,5cm 3 d'une solution de thiosulfate de sodium Na S O 3 de molarité C 3 = 0,4mol.L ) Ecrire l'équation de la réaction étudiée sachant qu'elle fait intervenir les deux couples I /I - et S O - 8 /SO - 4. ) Déterminer la composition initiale du système. 3 ) Etablir le tableau descriptif de l évolution du système. 4 ) En déduire la valeur maximale de l'avancement et le réactif limitant. 5 ) Pour déterminer la composition du système à la date t 1 = 300s, on prélève un volume V = 0 cm 3 du mélange et on dose la quantité de diiode I formée par une solution de thiosulfate de sodium ( Na + + S O - 3 ) de concentration molaire C 3 = 0,4mol.L -1. La disparaître la couleur jaunâtre due à la présence de I est obtenue lorsqu on a ajouté au prélèvement un volume V 3 = 7,5cm 3 de la solution de thiosulfate de sodium Na S O 3. a- Ecrire l équation de la réaction du dosage. a- Déterminer l'avancement de la réaction à l'instant t 1 = 300s x(10-4 ) mol b- Déduire la composition du système à cet instant Exercice n 6 : * Initialement le système contient : n i (I - ) = n 0 (I - ) =.10-5 mol ; n i (S O - 8 ) = n i (S O - 8 ) = mol. La courbe de la figure ci-contre représente les variations de l avancement x au cours du temps. 1- Dresser le tableau d avancement du système. - Déterminer dans les conditions de l expérience : *- La valeur de l avancement final de la réaction. *- La valeur de l avancement maximal de la réaction. 3- Comparer les valeurs de l avancement maximal et de t(min) l avancement final de la réaction. 6 Exercice n 7 : On mélange à l'instant t= 0s et à une température T: Un volume V 1 = 0,1L d'une solution S 1 d'iodure de potassium KI de concentration molaire C l. Un volume V =0,1L d'une solution de peroxodisulfate de potassium K S 0 8, de concentration molaire C. La courbe ci-après représente la variation de [S O 8 ] dans le mélange au cours du temps [S 0-8 ] (10-3 mol.l -1 ) 1) Écrire l'équation de la réaction qui a lieu, en précisant les couples redox mis en jeu. ) Etablir le tableau descriptif de l évolution du système avec a= n 0 (S O 8 ) et b = n 0 (I ) sont respectivement les quantités de matière initiales de (S O 8 ) et de (I ). 3) En exploitant la courbe : a- Déterminer le nombre de mole initial a de (S O 8 ) dans le mélange. En déduire la valeur de C. b- Montrer que l avancement final de la réaction est : x f = mol. c- Sachant que la réaction étudiée est totale, justifier que l ion iodure est le réactif limitant. Calculer b et en déduire C. d- Déterminer la valeur du temps de demi réaction t 1/