C.II.1. : SYSTEMES EN REACTION CHIMIQUE

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1 C.II.1. : SYSTEMES EN REACTION CHIMIQUE QUESTIONS DE COURS VERS LA COLLE Applications 1, 3, 6, 7, 10, 11, 12. CONSEILS A SUIVRE ; ERREURS A EVITER 1. Attention aux unités des grandeurs physiques employées, en particulier dans l équation d état des gaz parfaits! Il faudra veiller à utiliser les unités S.I. : pression en Pa, volume en m 3, quantité de matière en mol, température en K, R = 8,314 J.mol -1.K -1. Attention! l unité S.I. des masses molaires est le kg.mol -1 et non le g. mol -1!! 2. Attention aux définitions des nombres de moles utilisés, en particulier dans les utilisations de l équation d état des gaz parfaits : s agit-il du nombre de mol de gaz d un constituant A i donné (P i V = n i, gaz R T)? du nombre total de moles de gaz (P tot V = n tot, gaz R T)? du nombre total de moles? 3. Lors de l utilisation des titres, bien garder à l esprit la relation x = 1 ; en particulier, dans le cas d un mélange ne contenant que deux composés, ne pas introduire x 1 et x 2 mais par exemple x 1 et 1- x 1. Un titre ne peut par ailleurs pas être supérieur à un, de par sa définition! 4. Dans la résolution d un exercice faisant intervenir des pressions partielles (pour un mélange idéal de gaz parfaits), penser systématiquement aux 3 relations possibles afin de choisir la plus adaptée. 5. Bien vérifier le cas traité lors de l utilisation des densités! la relation faisant intervenir les masses molaires n est valable que pour des gaz parfaits!! 6. Il est indispensable de parfaitement connaître les signes des coefficients stoechiométriques algébriques : négatifs pour les réactifs, positifs pour les produits. 7. Il est conseillé de travailler avec des avancements dont la dimension est la même que celle de la grandeur physique utilisée pour décrire les conditions initiales (quantité de matière n 0 : avancement en mol ; concentration c 0 : avancement volumique x en mol.l -1 ). Par ailleurs, si un énoncé fait intervenir de manière privilégiée (grandeur recherchée, ou connue, etc ) une grandeur de suivi de réaction (avancement, degré de dissociation, etc ), il faut directement établir le bilan-matière en fonction de cette grandeur afin de ne pas introduire d inconnues inutiles 8. Lors du bilan-matière d une réaction chimique faisant intervenir des constituants gazeux, il est très souvent intéressant de faire apparaître une colonne correspondant au nombre total de moles de gaz. 9. Il est indispensable de prendre le temps de réfléchir au paramètre à utiliser pour effectuer un bilan-matière. i i A SAVOIR FAIRE Application 1 : Désintégrations radioactives * 226. a. Écrire la réaction de désintégration du radium Ra b. Écrire la réaction de désintégration - 60 du cobalt 60 27Co. c. Écrire la réaction de désintégration + du fluor F. Application 2 : Fission de l uranium 235 On considère la réaction de fission de l uranium 235 par bombardement de neutrons : U + 0 n = X + A Z Y n 1. Déterminer la nature de l élément X, ainsi que le nucléide manquant grâce à une classification périodique. 2. Cette réaction est-elle spontanée ou induite? Expliquer la différence. Expliquer pourquoi on parle de réaction en chaine. CII.1.: Système en réaction chimique Sonia Najid Lycée Corneille MPSI

2 3. L énergie libérée par une réaction nucléaire est égale à (Δm)c 2, où Δm est la différence entre la masse des noyaux réactifs et la masse des noyaux produits. Calculer l énergie libérée par un atome d uranium 235 en MeV et en J et en MeV. 4. Sachant qu une masse de 1 kg de pétrole libère 42 MJ, quelle masse de pétrole faut-il brûler pour libérer autant d énergie que 1 kg d uranium 235 par ce processus? Données : m( U) = 234,994 uma ; m( 1 0 n) = 1,0087 uma ; m( X) = 145,912 uma ; m( A Z Y) = 86,893 uma ; c = m/s ; 1 ev = 1, J ; 1 uma = 1, kg. Application 3. Réaction de fusion * Écrire l équation-bilan de la réaction de fusion d un noyau de deutérium et d un noyau de tritium en particule. Application 4 : Paramètres intensifs et extensifs * Les paramètres suivants sont-ils intensifs ou extensifs? Masse, fraction molaire, pression, volume, masse volumique, densité, quantité de matière, volume massique. Application 5 : Paramètres de composition * On considère le système constitué des composés suivants : phase liquide : eau (17 mol), éthanol (1 mol) ; phase gaz : eau (0,1 mol), éthanol (0,9 mol). Calculer les fractions molaires et massiques de chaque constituant dans chacune des phases. Données (masses molaires) : M(eau) = 18 g.mol 1 et M(éth) = 46 g.mol 1 ; Application 6 : Pressions partielles * Dans un récipient indilatable de volume V = L, on mélange du diazote et de l argon dans les proportions suivantes : 1/3 d argon et 2/3 de diazote. La pression totale est de 2 bar et la température de 27 C. Déterminer les pressions partielles de chaque gaz, leur quantité de matière et la quantité totale de gaz à l intérieur. Application 7: Densité * 1. Calculer le volume d éthanol liquide à prélever (dans les conditions CNTP) pour en avoir 3 mol. 2. On considère un mélange gazeux de 2 mol de diazote et de 3 mol de dioxygène, calculer sa densité. Données : éthanol d = 0,80, M(éthanol) = 46 g.mol 1. M(N 2) = 28 g.mol 1 M(O 2) = 32 g.mol 1. Composition de l air : 20% de O 2 et 80% de N 2. Rép. : 1) V = 172 ml 2) d mél = 1,06 Application 8 : Equation-bilan * Ecrire l équation-bilan de la réaction de synthèse de l ammoniac à partir du diazote et du dihydrogène. Faire le bilan de matière pour un état d avancement ξ lorsque les réactifs sont initialement a) en quantités équimolaires ; b) en proportions stœchiométriques. Application 9 : Espèce limitante * Considérons la réaction totale suivante en milieu de ph tamponné ([H + + ] = cte) : IO3 + 5 I + 6H = 3I 2 + 3H 2O, avec - initialement 0,1 mol de IO 3 et 0,2 mol de I -. Quelle est l espèce limitante? la valeur maximale de l avancement? Rép : max = 0,2/5 mol Application 10 : Bilans de réaction * Considérons la réaction chimique totale suivante : A + 3B = 5C. Décrire la composition du système à un instant t quelconque en fonction de l avancement volumique x et du taux d avancement, puis au bout d un temps infini ; on considèrera les deux états initiaux (E.I.) suivants : Concentrations des espèces (en mol.l -1 ) A B C Cas a) E.I. 0,1 0,3 0 Cas b) E.I CII.1.: Système en réaction chimique Sonia Najid Lycée Corneille MPSI

3 Application 11 : Réaction en solution aqueuse * ou ** On étudie la réaction (réaction totale) d oxydation de l éthanol par du permanganate en milieu acide tamponné (ph = 0) : 5 C 2H 5OH + 4 MnO H 3O + = 5 CH 3COOH + 4 Mn H 2O On suppose qu à l instant initial, on mélange 0,01 mol d éthanol et 0,009 mol de permanganate dans 1 L d eau. a) Quel est le réactif limitant? b) Etablir un bilan de matière en concentrations à un instant t quelconque en introduisant l avancement volumique x, puis à l instant t 1 tel que [C 2H 5OH] = 0,0075 mol.l -1. c) Quelle quantité de permanganate aurait-il fallu introduire pour que les proportions initiales soient stœchiométriques? d) En supposant que les proportions initiales sont stœchiométriques, réaliser un nouveau bilan en concentrations en utilisant le coefficient de réaction. Application 12 : réaction en phase gazeuse * ou ** On étudie la réaction de dissociation de n 0 moles de pentachlorure de phosphore PCl 5 (initialement à la pression initiale P 0) en trichlorure de phosphore PCl 3 et en dichlore Cl 2. On supposera la température et le volume constants. Donner l expression à un instant t quelconque de la pression partielle en PCl 5 en fonction du taux de dissociation de PCl 5 et de la pression initiale P 0, puis celle de la pression totale en fonction de ces mêmes grandeurs. I) Transformations nucléaires * ou ** III. EXERCICES 1) Suite à un accident dans une centrale nucléaire, des nucléides radioactifs comme l iode 131 et le césium 137 peuvent se répandre dans l atmosphère. a) Donner la composition de ces deux nucléides. b) L iode 131 est un émetteur β - : Définir ce type d émission radioactive, et écrire l équation bilan de la transformation nucléaire qui s effectue ) Le bismuth 83Bi se désintègre spontanément en thallium Tl avec émission d une particule α. a) Ecrire l équation de la désintégration en indiquant les nombres de charge et de masse du noyau de thallium et de la particule α. b) Certains noyaux de thallium sont créés dans un état excité. Un diagramme simplifié représentant les niveaux d énergie du thallium est fourni ci-contre ; on y a représenté la désexcitation d un noyau de thallium. Calculer la longueur d onde du photon émis lors de cette transition énergétique. Dans quel domaine de rayonnement se situe-t-il? 3) En 1919, E.Rutherford réussit la première transmutation: en bombardant des noyaux d'azote avec des noyaux d'hélium, il obtient des noyaux d'hydrogène et d oxygène. Le bilan de la transmutation réussie pas Rutherford est noté: 7 N + 2 He 8 O + 1 H a) Quelle est la composition du noyau d'oxygène obtenu? b) Ce noyau d oxygène n'est pas l'isotope de l'oxygène le plus répandu sur la Terre. Quelle est la représentation symbolique de l'isotope de l'oxygène le plus répandu? Préciser ce qui différencie ces 2 isotopes. II) Solutions aqueuses * 1) Fabrication d une solution de chlorure de sodium : On pèse une masse m = 1,0 g de chlorure de sodium solide. Ces cristaux sont placés dans une fiole jaugée de volume V = 100 ml. On complète avec de l eau distillée, le solide se dissout entièrement. Calculer les différentes concentrations introduites. M(Na) = 23,0 g.mol -1 M(Cl)=35,5 g.mol -1 2) Mélange de 2 solutions : On mélange un volume V 1 = 10 ml d une solution de chlorure de sodium de concentration c 1 = 0,10 mol.l -1 et un volume V 2 = 20 ml d une solution de chlorure de potassium de concentration CII.1.: Système en réaction chimique Sonia Najid Lycée Corneille MPSI

4 c 2 = 0,15 mol.l -1. Calculer les concentrations dans le mélange. 3) Préparation de solutions diluées : On dispose d une solution d acide chlorhydrique de concentration c 0 = 0,1 mol.l -1. On souhaite préparer 50 ml d une solution d acide chlorhydrique de concentration c = 0,02 mol.l -1. Indiquer le mode opératoire. III) Réaction en phase gazeuse * On étudie la réaction en phase gaz de décomposition du pentaoxyde de diazote : N 2O 5 = 2 NO O2 dans une 2 enceinte de volume V = 5,0 L à la température constante θ = 25 C. On suppose que à t = 0, n (N 2O 5)= n 0 = 0,50 mol et n (O 2)= n 1 = 1,00 mol. a) Remplir le tableau d avancement aux différents instants suivants en utilisant successivement l avancement et le taux de décomposition : t = t 1 tel que n (N 2O 5 ) = 0,20 mol ; t = t 2 tel que n (NO 2 ) = 0,80 mol ; t = t 3 tel que n (O 2 ) = 1,23 mol b) Calculer à chaque instant le taux de dissociation du pentaoxyde de diazote ainsi que la pression régnant dans l enceinte. IV) Acide sulfurique fumant * ou ** Une solution d acide sulfurique fumant affiche un titre massique (ou fraction massique) en acide sulfurique de 95%. Déterminer sa densité, sachant que sa concentration molaire est 17,8 mol.l -1, et sa masse molaire M(H 2SO 4) = 98 g.mol -1. V) Equation d état des gaz parfaits et dissociation ** a) Dans un récipient d un litre, à la température de 25 C, on introduit du dibrome sous une pression de 0,25 bar puis de l argon jusqu à ce que la pression totale atteigne 1 bar. Déterminer les quantités de dibrome et d argon introduites en supposant que ceux-ci se comportent comme des gaz parfaits. b) Le récipient précédent est porté à 1500 C, température à laquelle le dibrome Br 2(g) se dissocie partiellement en atomes de brome Br (g). La pression totale mesurée est alors de 6,3 bar. En déduire la quantité de dibrome dissocié, les fractions molaires et les pressions partielles du dibrome, du brome atomique et de l argon, ainsi que la constante de la réaction. Rép. : a) n(dibrome) = 10-2 mol ; n(argon) = mol b) x(dibrome) = 16% et x(argon) = 70%. A SAVOIR 1. Quels sont les trois types de transformations physico-chimiques existant? pour chacune d entre elles, quelles sont les interactions modifiées ainsi que l ordre de grandeur des énergies mises en jeu? 2. Quelles sont les principales réactions nucléaires? 3. Qu est-ce qu un diagramme (P,T)? savoir décrire ses principales caractéristiques. 4. Qu est-ce que l équation d état d un gaz parfait? dans quelles unités sont exprimées les différentes grandeurs? qu estce que la masse volumique, les fractions molaire et massique? quelles relations a-t-on entre elles? 5. Qu est-ce que la pression partielle d un gaz? Quelles sont les 3 relations dans lesquelles elle est susceptible d intervenir dans le cas d un gaz parfait? 6. Définir la notion de densité pour des phases condensées (solides et liquides) et pour des gaz. Quelle expression obtienton dans le cas de gaz parfaits? que vaut la masse volumique de l eau liquide? la masse molaire d un mélange gazeux? 7. Qu est-ce que le degré d avancement d une réaction? quel est l intérêt de cette grandeur (quels sont les deux types de situation où elle est couramment utilisée)? 8. Qu est-ce qu une équation-bilan? Qu est-ce qu une réaction totale, limitée? 9. Qu est ce qu un coefficient stœchiométrique? un coefficient stœchiométrique algébrique? Savoir établir des bilans matière dans le cas d une réaction unique ; quelles sont les grandeurs couramment utilisées pour cela? leurs unités? Qu est ce qu un réactif limitant? un mélange équimolaire? un mélange dans les proportions stœchiométriques? 10. Définir la variable de «de Donder». Comment l appelle-t-on aussi? Par quelle lettre grecque est-elle désignée? Quelle est son unité? Qu obtient-on en divisant l avancement par le volume du mélange réactionnel? intérêt? CII.1.: Système en réaction chimique Sonia Najid Lycée Corneille MPSI

5 IMPORTANT 11. Savoir définir et connaître les principales caractéristiques des phases gaz (notion de plasma?), liquide, solide. 12. Qu est-ce qu une grandeur extensive? intensive? donner un exemple de 4 grandeurs extensives définissant un système physico-chimique, puis faire de même avec 4 grandeurs intensives. 13. Définir la notion de phase ; quelles sont les phases courantes? 14. Qu est ce qu un système thermodynamique homogène? Définir les notions de paramètre d état et d équation d état. CII.1.: Système en réaction chimique Sonia Najid Lycée Corneille MPSI