LA CHIMIE QUANTITATIVE

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1 Collège Voltaire, EXERCICES LA CHIMIE QUANTITATIVE Table des matières Série 5 La chimie quantitative octobre Comprendre la signification et l utilité de la mole...2 Comprendre la signification de masse atomique [g/atome], moléculaire [g/molécule] et molaire [g/ mole]...2 Calculer la masse moléculaire et molaire...2 Résoudre des problèmes avec des masses, des moles et des nombres de particules (atomes, molécules,etc.)...2 Série 6 La chimie quantitative Résoudre des problèmes avec des masse, des moles et des nombres de particules de réactifs et de produits lors de réaction stœchiométrique et non stœchiométrique...12 Série 7 La chimie quantitative Comprendre la signification de concentration...19 Comprendre la signification de molaire [mol/l], titre [g/l], %massique [g/100g]et % volumique [L/100L]...19 Résoudre des problèmes avec des concentrations, des masse, des moles, des volumes, des nombres de particules ( molécules,etc.) dans le cas de mélange (solution,etc.)...19 Série 8 La chimie quantitative janvier Résoudre des problèmes dans le cas de mélange (solution,etc.) lors de réaction stœchiométrique et non stœchiométrique (volumétrie,etc.)...24 Série 9 La chimie quantitative mars Comprendre la signification de volume molaire des gaz parfaits...29 Résoudre des problèmes avec des masse, des moles, des volumes, des nombres de particules ( molécules,etc.) dans le cas des gaz parfaits...29 Résoudre des problèmes dans le cas des gaz parfaits lors de réaction stœchiométrique et non stœchiométrique eleve/ volt1234

2 Série 5 La chimie quantitative octobre 2014 Objectifs Comprendre la signification et l utilité de la mole Comprendre la signification de masse atomique [g/atome], moléculaire [g/molécule] et molaire [g/ mole] Calculer la masse moléculaire et molaire Résoudre des problèmes avec des masses, des moles et des nombres de particules (atomes, molécules,etc.) Ex.1. Quantité d atomes a) Dans un petit morceau de sucre de 5 g, on dénombre. atomes, c'est-à-dire Combien pèse en moyenne environ un atome? Nous verrons plus loin que ces atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène ne sont pas tous identiques. b) Comment pourrait-on simplifier les calculs pour la suite et éviter les puissances de 10 pour calculer la masse d un atome? c) Les atomes étant très petits, il n est pas pratique d exprimer leur masse en g ou en kg. Une nouvelle unité de masse est donc nécessaire, c est l unité de masse atomique désignée par l abréviation uma. Par définition : Complétez le tableau : Particules fondamentales Masse en g Masse en uma PROTON g.... NEUTRON g.... ELECTRON g.. d) un atome d aluminium contient 13 protons, 14 neutrons et 13 électrons. Quelle sera sa masse approximative en uma? e) Les masses atomiques moyennes MA en uma de tous les éléments connus se trouvent dans le tableau périodique des éléments sous le symbole de l élément. Vérifier si la masse de l aluminium trouvée est bien égale à celle du tableau périodique.

3 f) Comment calculer de manière approximative la masse d un atome en connaissant le nombre de protons, de neutrons et d électrons? Ex.2. Masse d un atome de carbone a) Complétez le tableau : Symbole de l isotope carbone 12 :.. carbone 13 :.. carbone 14 : Représentation des isotopes du carbone Nombre de neutrons Nombre d électrons Nombre de protons Masse 12 uma 13,003 uma Présent en infime Abondance relative en % : 98,9 % 1,1 % quantité, utile pour la datation au carbone 14 Remarque : les masses atomiques sont la moyenne pondérée des masses des différents isotopes qui constituent l élément. Elles sont exprimées en unité de masse atomique uma b) Calculez la masse atomique moyenne MA du carbone. c) Pourquoi la masse atomique du carbone est de uma et pas de 12 uma? Ex.3. Donnez la signification des masses suivantes : MA H = 1,008 uma signification? MA U = signification?

4 Ex.4. A l état naturel, le chlore contient deux isotopes : - le chlore 35 (masse : 34,96 uma) - le chlore 37 (masse : 36,96 uma). a) Quels sont les pourcentages respectifs de ces deux isotopes dans un échantillon de chlore naturel dont la masse atomique moyenne est de 35,453 uma? b) Expliquez la différence entre la masse attendue du chlore 35 et sa masse (34,96 uma). Masse du noyau Masse des protons Et des neutrons séparés

5 Ex.5. Expérience Pesez les 3 échantillons suivants. 1) 2).. 3) a) Combien y a-t-il de particules (atomes ou molécules) dans chaque échantillon? b) Quel échantillon a le plus de particules (atomes ou molécules)? Combien de fois plus de particules que les autres échantillons? c) Quel est l ordre de grandeur du nombre de particules dans un échantillon pesant quelques grammes?

6 d) Comment se simplifier la tâche? Comment pourrait-on simplifier les calculs par la suite et éviter des puissances de dix aussi élevées pour indiquer le nombre d atomes ou de molécules? e) Donnez le nombre de mole pour les 3 échantillons de l expérience. Ex.6. Combien y-a-t-il d atomes de fer dans une mole de fer? Ex.7. Combien y-a-t-il de molécules d eau (H 2 O) dans 2 mol de molécule d eau? Réponse : atomes Ex.8. Donnez le nombre total d atomes dans 2 mol d eau. Réponse : molécules

7 Réponse : 3, atomes Ex.9. Combien y a-t-il de moles de gaz carbonique (CO 2 ) dans un échantillon contenant molécules de gaz carbonique? Réponse : 2.04 mol Ex.10. Cochez la ou les bonne(s) réponse(s). Corrigez et expliquez les erreurs La modélisation ci-dessus représente : 8 mol de H 2 O 8 molécules d eau 16 atomes d hydrogène et 8 atomes d oxygène

8 Ex.11. Combien pèse en gramme une mole de fer (masse molaire du fer)? Indication : 1 uma = 1, g Que remarquez-vous par rapport à la masse atomique en uma du fer? Ex.12. a) Lien entre la masse atomique, la masse moléculaire et la masse molaire. Complétez : Combien pèse 1 particule en uma: 1 atome de lithium pèse. uma Combien pèse 1 mole en gramme: 1 mol d'atome de lithium pèse...g 1 molécule de CO 2 pèse..uma 1 mol de molécule de CO 2 pèse...g b) Complétez le résumé : Donnez la masse atomique ou moléculaire: Donnez la masse masse molaire: MA(lithium) =. uma/atome M( lithium )=..g/mol MM(CO 2 )=..uma/molécule M(CO 2 ) =..g/mol c) Expliquez cette égalité :... uma 1 atome ou 1molécule =... g 1 mol d ' atome ou 1 mol demolécule

9 Ex.13. Donnez le nombre de moles et d atomes de fer dans une clé. On suppose que la clé est composée seulement d atomes de fer. La clé pèse... Ex.14. Le diamant est composé de carbone. C est le plus dur de tous les matériaux naturels. Le Golden Jubilee est le plus gros diamant taillé du monde, il a carats. Il est monté sur la couronne impériale de Thaïlande. Il contient 9.08 mol de carbone, combien a-t-il d atomes de carbone? Combien pèse-t-il? Agencement des carbone dans le diamant Source: Réponse : g

10 Ex.15. Une mine de crayon est composée de graphite (carbone). Une mine de graphite pèse environ 0.6 g. Lorsqu on utilise une mine, combien d atomes a-t-on déposé sur les feuilles de papier? Agencement des carbones dans le graphite Réponse : atomes Ex.16. La population mondiale et la mole Nous sommes environ 7 milliards d êtres humains sur terre. Combien cela fait-il de moles d êtres humains? Réponse : mol Ex.17. Le magnésium et les crampes musculaires Un médecin prescrit du magnésium a un patient pour lutter contre les crampes musculaires. Le patient prend deux pastilles par jour. Une pastille contient. mmol de magnésium (voir les indications sur la boîte). a) Combien de grammes de magnésium le patient ingère-t-il par jour? b) L'apport journalier recommandé est de 400 mg de magnésium. Les deux pastilles couvrent-elles les besoins journaliers?

11 Ex.18. Lorsque vous buvez un litre d eau, a) combien y a-t-il de moles d eau? b) combien de molécules d eau buvez-vous? c) combien y a-t-il d atomes? Indication : un litre d eau pèse environ 998 g. Réponse : a) mol b) molécules c) atomes Ex.19. Les abeilles libèrent molécules d acétate d isopentyle (C 7 H 14 O 2 )chaque fois qu elles piquent. Combien de moles et de grammes de cette molécule une abeille libère-telle lorsqu elle pique? Réponse : 1.04 micorgrammes Ex.20. Un joaillier souhaite fabriquer un bijou en or 24 carat (or pur) contenant atomes d or. Quelle devra être la masse exacte du bijou (en mg) pour que ce soit le cas? Réponse : 980 mg

12 Série 6 La chimie quantitative 2015 Objectifs Résoudre des problèmes avec des masse, des moles et des nombres de particules de réactifs et de produits lors de réaction stœchiométrique et non stœchiométrique Ex.1. La réaction de combustion de l hydrogène produit de l énergie et de la vapeur d eau: 2 H 2(g) + O 2 (g) 2 H 2 O (g) + énergie Un fabricant d automobile décide de développer une voiture roulant grâce à l énergie de la combustion de l hydrogène. Il équipe la voiture d une bouteille contenant 125 g d hydrogène. a) Combien de grammes d eau seront formés lors de la combustion complète de l hydrogène b) Combien de grammes d oxygène seront consommés lors de la combustion complète de la bouteille? c) Lors de la combustion complète des 125 g d hydrogène, la masse d oxygène injectée dans la chambre à combustion est de 2 kg. Y a-t-il eu un excès ou un manque d oxygène?

13 Ex.2. a) Voiture au gaz naturel Une voiture est équipée de deux bonbonnes installées dans le coffre, totalisant une réserve de 11 kg de gaz naturel (méthane : CH 4 ) pour une autonomie de 260 kilomètres, avec une consommation moyenne de 4,3 kg de gaz pour 100 km. Calculez le nombre de grammes de gaz carbonique (CO 2 ) produit lorsque nous effectuons 100 km avec cette voiture. Il y a assez d oxygène pour la combustion complète du méthane. b) Voiture à essence En 2005, la consommation moyenne de carburant des voitures neuves vendues en Suisse se montait à 7,67 litres (5,7 kg) d essence pour 100 km. L essence est composée d hydrocarbures avec des chaînes de carbones comprises entre 5 et 9 carbones (par approximation, prenez l octane C 8 H 18 comme composé principal de l essence). Calculez le nombre de grammes de gaz carbonique produit lorsque nous effectuons 100 km (5.7 kg d essence consommée). Il y a assez d oxygènes pour la combustion complète de l octane. c) Quelle voiture émet le plus de gaz carbonique?dans quelles catégories ci-dessous, les voitures appartiennent-elles? En 2005, l énergie de combustion des produits pétroliers et de gaz naturel représentait 68.7% de l énergie consommée en Suisse. L augmentation de la consommation de cette énergie a entraîné notamment une augmentation des rejets de gaz carbonique CO 2. Les concentrations de CO 2 sont passées de 280 ppm en 1850 à 360 ppm actuellement dans l atmosphère. Le gaz carbonique augmente l effet de serre et favorise le réchauffement du climat.

14 Ex.3. Une des réactions qui se produit dans un haut fourneau, où le minerai de fer (Fe 2 O 3 ) est converti en fer fondu (Fe), est : Fe 2 O 3 + 3CO 2Fe + 3CO 2 a) Supposons que le fourneau est chargé de 2.5 tonnes de Fe 2 O 3, combien de fer fondu pourrait-on obtenir au maximum? b) Nous obtenons 1.5 tonnes de fer fondu, quel est le rendement du fourneau? Ex.4. Pour extraire l or (Au) des roches à faible teneur en or, l une des étapes du procédé consiste à traiter le minerai au cyanure de potassium dans l eau en faisant barboter de l air : 4 Au (minerai) + 8 KCN + O H 2 O 4 KAu(CN) KOH a) Quel est le nombre de moles de KCN requis pour extraire 1 kg d or? Remarque : on ne tient pas compte de l eau et de l oxygène, car ils sont présents en excès. b) Supposons que nous avons 2.7 moles de KCN, pourra-t-on extraire un kilo d or? Si non, donnez la quantité d or extraite avec 2.7 moles de KCN Ex.5. Réaction de précipitation On fait réagir du chlorure de fer III (FeCl 3 ) avec du carbonate de sodium (Na 2 CO 3 ) :

15 2 Fe Cl Na 2 CO 3 Fe 2 (CO 3 ) NaCl a) Sachant que 3 g de carbonate de fer III se soient formés, calculez la masse de carbonate de sodium et de chlorure de fer III nécessaire. b) Donnez la masse obtenue de chlorure de sodium lors de cette réaction. c) Lors d une deuxième expérience avec les mêmes quantités de réactifs, on obtient 2.45 g de carbonate de fer III. Calculez le rendement lors de cette deuxième expérience. Ex.6. Erreurs les plus fréquentes Cochez les affirmations vraies et corrigez les erreurs. Trouvez la masse de 3.4 mol de lithium? MM Li = 7 g/mol 7 = = x MM HCl = 36.5 g/mol = 36.5 uma/atome Nous faisons réagir 3 mol de fer (Fe) avec 2 mol de soufre (S). Soit la réaction: Fe + S Fe S Avant la réaction 3 mol 2mol 0 mol Après la réaction 0 mol 0 mol 5 mol Nous faisons réagir 56 g fer avec 56 g de soufre. Soit la réaction: Fe + S Fe S Avant la réaction 56 g 56g 0g Après la réaction 0g 0g 112g Ex.7. Complétez les pointillés et justifiez (calculs, etc.).

16 a) Nous faisons brûler 32 g de méthane CH 4, il y a.. g d oxygène O 2 disponible pour la combustion ci-dessous. Soit la combustion: CH 4(g) + O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (vap) Avant la réaction 32 g g 0g 0g Après la réaction g. g g g b) On brûle molécules de benzène C 6 H 6 avec.. molécules d oxygène O 2 selon la combustion suivante: 2 C 6 H 6(l) + 15 O 2(g) 12 CO 2(g) + 6 H 2 0 (vap) Avant la réaction molécules... molécules 0 molécule 0 molécule Après la réaction... molécules... molécules. molécules. molécules Ex.8. Soit la modélisation de la réaction :

17 Réactifs Produits Na + Cl - H + H 2 O OH - Cl - Na + a) Complétez l équation de cette réaction : NaOH (aq) + HCl (aq) b) Dessinez les produits formés à partir de cette quantité de réactifs : H + Na + OH - Cl - H + Cl - H + Cl- Na + OH - Quel est le facteur limitant? Quel est le réactif en excès? Ex.9. Soit la réaction : 2 C + O 2 2 CO

18 a) Dessinez les produits formés à partir de cette quantité de réactifs. b) Quel est le facteur limitant? c) Quel est le réactif en excès? Ex.10. Soit la réaction suivante : CH 3 COOH + NaHCO 3 H 2 O + CO 2 + CH 3 COONa a) Faites un croquis légendé de vos observations lors de la réaction dans ces 3 conditions : A) Réactifs : 2, mol de CH 3 COOH 1 g de bicarbonate Bleu de bromothymol B) Réactifs : 2, mol de CH 3 COOH 2,1 g de bicarbonate Bleu de bromothymol C) Réactifs : 2, mol de CH 3 COOH 4,2 g de bicarbonate Bleu de bromothymol b) Les réactifs sont-ils dans des proportions stœchiométriques dans ces 3 conditions? Si non, nommez le réactif en excès.

19 Série 7 La chimie quantitative 2015 Objectifs Comprendre la signification de concentration Comprendre la signification de molaire [mol/l], titre [g/l], %massique [g/100g]et % volumique [L/100L] Résoudre des problèmes avec des concentrations, des masse, des moles, des volumes, des nombres de particules ( molécules,etc.) dans le cas de mélange (solution,etc.) Ex.1. a) Donnez la signification précise des solutions avec les concentrations suivantes. Une solution aqueuse de 0.2 g/l de NaCl : NaOH 0,1 M : Une solution concentrée de HCl 37% massique: b) Expliquez ce que la molarité donne comme information sur la concentration (masse, volume, etc.). c) La molarité (M) n est pas utilisée dans les étiquetages des produits courants, pourquoi cette unité est utilisée en chimie?

20 Ex.2. Le diabète (dit sucré) est une maladie liée à une défaillance des mécanismes biologiques de régulation de la glycémie. Il se caractérise par une glycémie (concentration de glucose dans le sang) supérieure à environ 8,8 mmol/l à jeun. a) À combien de grammes de sucre dans 1 litre de sang est fixée cette limite supérieure? b) Après mesure de la glycémie (. mmol/l), donnez la masse et le nombre de molécule de glucose dans le corps. Le corps humain contient environ 5 litres de sang. Ex.3. Quel est le titre d une solution de HNO 3 à 0,02 M? Ex.4. Quelle est la molarité d une solution contenant : a) 100 g/l de NaOH b) 0,0315 g de HNO 3 dans 10 ml de solution

21 Ex.5. Déterminez la masse de chlorure de sodium contenue dans 30mL d une solution M. Ex.6. Vous avez besoin de 200 ml d une solution de sulfate de cuivre (II) 0,1 M. Comment la prépareriez-vous? Ex.7. Décrivez la préparation de 50 ml d une solution de HCl 0,4 M à partir d une solution de HCl 2,5 M. Comment s appelle ce procédé?

22 Ex.8. On ajoute 25 ml de NaOH 0,1 M à 20 ml de NaOH 0,2 M. Quelle sera la molarité de la solution obtenue? Ex.9. Donnez la molarité d une solution concentrée de HCl 37 %massique. La masse volumique de cette solution est de kg/l.

23 Ex.10. Les dangers de L alcool (éthanol) Deux images saisissantes Activité neuronale d'un jeune de 15 ans non buveur à gauche et buveur à droite. Sous l'emprise de l'alcool (à droite), le cerveau du jeune n'est pas en mesure de réfléchir normalement, encore moins de faire preuve de jugement (idem chez les adultes). Source : New York Times: Grim Neurology of Teenage Drinking ex= &en=1d c817940&ei=5088&partner=rssnyt&emc=rss Questions : combien de gramme d alcool y a-t-il dans un litre de bière? Indication :- bière à 5 % vol ( ou degré) - masse volumique de l alcool 0.79 g/cm 3 Ex.11. Voici deux affirmations fausses, expliquez ces erreurs : - une concentration de 3 g/l de HCl signifie que : 3g = 1l - une concentration de 2 M de HCl signifie que deux moles de HCl sont égales à 1 litre.

24 Série 8 La chimie quantitative janvier 2015 Objectifs Résoudre des problèmes dans le cas de mélange (solution,etc.) lors de réaction stœchiométrique et non stœchiométrique (volumétrie,etc.) Ex.1. A l'aide d'une pipette jaugée, on prélève 55 ml d'une solution d acide sulfurique (H 2 SO 4 ) et l on ajoute quelques gouttes d'indicateur. On neutralise l acide grâce à 10 ml de NaOH à 0,25 M, selon la réaction suivante : 2 NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO H 2 O a) Quel est le titre et la molarité de l acide sulfurique? b) Quelles sont les particules (substances) présentes dans le bécher avant d ajouter du NaOH? c) Quelles sont les particules (substances) présentes dans le bécher lorsqu on a ajouté la moitié du NaOH (5 ml de NaOH)? Déterminez les moles d excès d acide ou de base. d) Quelles sont les particules (substances) présentes dans le bécher lorsqu on a ajouté la totalité des 10 ml de NaOH (réaction complète)? Lien:

25 Ex.2. Soit la réaction : BaCl 2 + K 2 CrO 4 BaCrO4 + 2 KCl Nous mélangeons les solutions de BaCl 2 (0.2M) et de K 2 CrO 4 (0.2M) dans 5 éprouvettes de la manière suivante : K 2 CrO 4 5 ml 4 ml 2.5 ml 1 ml 0 ml Solution à 0.2M Pour chacune des éprouvettes : a) déteminez le réactif limitant et le réactifs en excès. b) calculez les moles de réactifs en excès. c) déterminer la masse de précipité. d) faire le lien entre les observations et les résultats obtenues dans les questions précédentes. d) montrez l'évolution des moles de réactifs et des masses de précipité en fonction des éprouvettes.

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27 Ex.3. Réaction de précipitation Lorsqu une solution de Ba(OH) 2 à M est mélangée à une solution de Na 2 SO 4 à M, un précipité se forme. Combien de millilitres de chacune des deux solutions ont été nécessaires pour obtenir 9.45 g de ce précipité? Ex.4. Réaction d oxydoréduction Soit l équation suivante : Sn + 2 AgNO 3 Sn(NO 3 ) Ag On veut oxyder 0,5 g d étain métallique à l aide d une solution de nitrate d argent (I) de concentration 2 M. Un volume de 10 ml de cette solution sera-t-il suffisant?

28 Ex.5. Équilibrez l équation suivante : Na 2 CrO 4 + SnCl 2 + HCl CrCl 3 + SnCl 4 + H 2 O + NaCl Pour réduire 10 ml de la solution d oxydant, il faut 13,8 ml de la solution de réducteur 0,05 M. Calculez la molarité et le titre de la solution d oxydant.

29 Série 9 La chimie quantitative mars 2015 Objectifs Comprendre la signification de volume molaire des gaz parfaits Résoudre des problèmes avec des masse, des moles, des volumes, des nombres de particules ( molécules,etc.) dans le cas des gaz parfaits Résoudre des problèmes dans le cas des gaz parfaits lors de réaction stœchiométrique et non stœchiométrique Ex.1. Quel est le volume aux conditions normales (c.n.) par 2,5 mol d azote N 2? Ex.2. Quelle est la masse de 67,2 litres d oxygène O 2 pris aux c.n.? Ex.3. Quel est le volume occupé aux c.n. par 3, molécules d ammoniac NH 3?

30 Ex.4. Un enfant joue avec un ballon gonflé à l hélium. Le ballon a un volume de 2,5 litres. Quelle est la masse d hélium aux c.n.? Ex.5. Est-ce qu un mètre cube d air sec ou humide a la même masse? Justifiez. Air sec Température identique Pression identique Air humide Masse de l air sec? Masse de l air humide? En météorologie, lorsqu il fait beau, sommes-nous dans une haute ou basse pression? Indication : la pression atmosphérique est proportionnelle à la masse d air au dessus de l endroit où l on se trouve.

31 Ex.6. Les Airbags utilisent la réaction de décomposition explosive suivante : 2 NaN 3 (s) 2 Na (s) + 3 N 2 (g) Quelle masse d azoture de sodium NaN 3 faut-il pour produire un volume de 15 L aux c.n? Ex.7. Soit la réaction suivante: CH 3 COOH + NaHCO 3 H 2 O + CO 2 + CH 3 COONa Dans ces 3 conditions : A) 25 ml à 1 M de CH 3 COOH 1 g de bicarbonate Bleu de bromothyl B) 25 ml à 1 M de CH 3 COOH 2,1 g de bicarbonate Bleu de bromothymol C) 25 ml à 1 M de CH 3 COOH 4,2 g de bicarbonate Bleu de bromothymol Vidéo de l expérience : limitant et gaz.mp4 a) Les réactifs sont-ils dans des proportions stœchiométriques dans ces 3 conditions? Si non, donnez les réactifs en excès (en mol) b) Calculez le volume de gaz émis aux conditions normales.