Equilibres chimiques Quotient de réaction constantes d équilibre et d acidité

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1 C 6 H 5 OH(aq) = C 6 H 5 O - (aq) + H + C 6 H 5 O - : ion phénolate Séance Chimie n 3 : Equilibres chimiques Quotient de réaction constantes d équilibre et d acidité I. Solution de phénol : La solution aqueuse de phénol (.) est connue pour ses propriétés antiseptiques depuis la fin du XVIII e siècle. Le phénol est un acide solide de solubilité dans l eau s = 9,4 g.l -1 à 20 C. 1) A quelle famille chimique appartient le phénol? C est la plus simple écule de la Famille des phénols 2) Donner ses formules brutes et développées. C 6 H 5 OH OH 3) Quelle est la formule de sa base conjuguée? 4) Ecrire l équation de la réaction entre le phénol et l eau C 6 H 5 OH(aq) + H 2 O(l) = C 6 H 5 O - (aq) + H 3 O + (aq) 5) Déterminer à 20 C, la concentration aire d une solution saturée de phénol M(C 6 H 5 OH)= 94 g. -1 s = m/v et M = m/n soit : s = n.m/v Or C = n/v d où s = C.M C = s/m = 0,1.L -1 6) Soit un volume V =300mL de solution saturée de phénol. Déterminer l avancement maximal de la réaction acido-basique. état avancement C 6 H 5 OH(aq) + H 2 O(l) = C 6 H 5 O - (aq) + H 3 O + (aq) initial 0 n o (C 6 H 5 OH) excès 0 0 en cours x n o (C 6 H 5 OH) - x excès x x final x m n o (C 6 H 5 OH) x m excès x m x m État initial : n o (C 6 H 5 OH) = C.V = Etat final : le phénol est obligatoirement le réactif limitant : n o (C 6 H 5 OH) x m = 0 x m = d après le tableau n m (H 3 O + ) = ) Le ph de cette solution vaut 5,5. Déterminer l avancement final et le taux d avancement final. La réaction du phénol avec l eau est-elle totale? * ph = 5,5 or ph = - log[h 3 O + ] soit [H 3 O + ] f = 10 -ph = 3, L -1 n f (H 3 O + ) = [H 3 O + ] f.v = 9, = x f * τ = x f / x m = 3, τ < 1 donc réaction limitée et donc non totale

2 II. Les fourmis et les orties : Les fourmis et les orties ont un point commun : l acide formique. Cet acide est un des constituants principaux de la sève des orties ; il est à l origine des «brûlures» que nous ressentons lorsque l on cueille des feuilles d orties. Pour se défendre, la fourmi secrète de l acide formique et peut projeter un jet d acide afin de «brûler» son ennemi. L acide formique est plus connu sous le nom d acide méthanoïque. 1) Donner la formule brute de l acide formique HCOOH H C OH O 2) Dans une fiole jaugée de 100 ml on introduit une masse m d acide formique, puis on complète avec de l eau distillée jusqu au trait de jauge et on homogénéise. On dispose alors d une solution d acide formique de concentration aire C = 0,010.L -1. Le ph de la solution obtenue vaut 2,9. a. calculer la masse m M(HCOOH) = 46 g. -1 n 0 (HCOOH) = C 0.V = et M = m/n 0 D où m = n 0.M = g b. écrire l équation de la réaction associée à la transformation de l acide formique en présence d eau. HCOOH(aq) + H 2 O(l) = HCOO - (aq) + H 3 O + (aq) c. Déterminer le taux d avancement final de cette réaction ; est elle totale? état avancement HCOOH(aq) + H 2 O(l) = HCOO - (aq) + H 3 O + (aq) initial 0 n o (HCOOH) excès 0 0 en cours x n o (HCOOH) - x excès x x final x m n o (HCOOH) x m excès x m x m État initial : n 0 (HCOOH) = Etat final : l acide formique est obligatoirement le réactif limitant : n o (HCOOH) x m = 0 x m = d après le tableau n m (H 3 O + ) = ph = 2,9 d où [H 3 O + ] f = 10-2,9.L -1 soit n f (H 3 O + ) = x f = 10-2,9. 0,1 = 1, τ = x f / x m = 0,126 τ < 1 donc réaction limitée et donc non totale 3) Le ph d une solution d acide formique de concentration C 1 = 1, L -1 est égal à 3,5. a. calculer le taux d avancement final de la réaction de l acide méthanoïque avec l eau. ph = 3,5 d où [H 3 O + ] f = 10-3,5.L -1 soit n f (H 3 O + ) = x f = 10-3,5. 0,1 = 3, n 0 (HCOOH) = C 1.V = ,1 = 10-4 soit n m (H 3 O + ) = x m = 10-4 τ = x f / x m = 0,316 τ < 1 donc réaction limitée et donc non totale b. En déduire l influence de la concentration de la solution sur le taux d avancement final de cette réaction. Le taux d avancement final augmente lorsque la concentration de l acide diminue

3 III. La méthylamine : On dispose d une solution aqueuse de méthylamine de concentration en soluté apporté C = 1, L -1. La concentration en ion hydroxyde à l équilibre est égale à L -1 à 25 C. 1) Donner la formule brute de la méthylamine CH 3 NH 2 2) A quel couple acide/base la méthylamine appartient elle? CH 3 NH 3 + (aq) / CH 3 NH 2 (aq) 3) Ecrire l équation chimique de la réaction entre la méthylamine et l eau. CH 3 NH 2 (aq) + H 2 O(l) = CH 3 NH 3 + (aq) + HO - (aq) 4) A l aide d un tableau descriptif de l évolution du système chimique, donner les concentrations des espèces chimiques présentes dans la solution de méthylamine. état avancement CH 3 NH 2 (aq) + H 2 O(l) = CH 3 NH 3 + (aq) + HO - (aq) initial 0 n o (CH 3 NH 2 ) excès 0 0 équilibre x eq n o (CH 3 NH 2 ) x eq excès x eq x eq État initial : Equilibre : [CH 3 NH 2 ] 0 = 1, L -1 D après le tableau d avancement : x eq = n eq (CH 3 NH 3 + ) = n eq (HO - ) D où : [HO - ] eq = [CH 3 NH 3 + ] eq = L -1 [CH 3 NH 2 ] eq = n eq (CH 3 NH 2 ) / V = (n o (CH 3 NH 2 ) x eq ) / V = C - x eq / V = C - [HO - ] eq = L -1 5) Est-ce une réaction totale ou une réaction limitée? justifier votre réponse. x m = n o (CH 3 NH 2 ) = [CH 3 NH 2 ] 0.V = C.V x eq = n eq (HO - ) = [HO - ] eq.v d où : τ = x eq / x m =[HO - ] eq / C = 0,2 τ < 1 réaction limitée et donc non totale 6) Exprimer le quotient de la réaction à l état initial. Quelle est sa valeur? [CH 3 NH + 3 ] 0.[HO - ] 0 Q ri = [CH 3 NH 2 ] 0 or [CH 3 NH + 3 ] 0 = [HO - ] 0 = 0 d où Q ri = 0 7) Calculer la valeur du quotient de réaction à l équilibre. En déduire la valeur de la constante d équilibre. [CH 3 NH + 3 ] eq.[ho - ] eq Q req = = = [CH NH 2 ] eq

4 IV. Solubilité : Le chlorure d argent et le chromate d argent sont des composés solides peu solubles dans l eau. On prépare une solution saturée de chlorure d argent et une solution saturée de chromate d argent. 1) Donner les formules du chlorure d argent et du chromate d argent et écrire les équations de dissolution de ces composés dans le l eau (les deux transformations étant limitées) AgCl(s) = Ag + (aq) + Cl - (aq) ; Ag 2 CrO 4 (s) = 2Ag + (aq) + CrO 4 2- (aq) 2) Donner l expression des deux quotients de réaction Q r1 = [Ag + ].[ Cl - ] et Q r2 = [Ag + ] 2.[ CrO 4 2- ] 3) La constante d équilibre associée à la réaction de dissolution du chlorure d argent est égale à 1, à 25 C. Calculer la concentration des ions chlorure et argent à l équilibre. Equilibre : K 1 = Q r1 = 1, d où [Ag + ] éq = [ Cl - ] éq = Q r1 1/2 = 1, L -1 4) La constante d équilibre associée à la réaction de dissolution du chromate d argent est égale à 1, à 25 C. Calculer la concentration des ions chromate et argent à l équilibre. Equilibre : K 2 = Q r2 = 1, d où [Ag + ] éq = 2.[ CrO 4 2- ] éq = (2. Q r2 ) 1/3 = 1, L -1 5) En déduire les solubilités du chlorure d argent et du chromate d argent en g.l -1 Données : M(AgCl) = 143,4 g. -1 et M(Ag 2 CrO 4 ) = 331,8 g. -1 S(AgCl) = [Ag + ] éq.m(agcl) = 1, g.l -1 S(Ag 2 CrO 4 ) = [CrO 4 2- ] éq.m(ag 2 CrO 4 ) = 2, g.l -1

5 V.Le vinaigre : L étiquette d une bouteille de vinaigre blanc porte l indication 6,5. Par définition, 1 correspond à 1g d acide éthanoïque dans 100g de vinaigre. 1) calculer la concentration aire en acide éthanoïque apporté dans ce vinaigre. (la masse volumique du vinaigre est de égale à 1, g.l -1 6,5 : 6,5 g d acide dans 100 g de vinaigre ; M(CH 3 COOH) = 60 g. -1 donc n = m/m = 1, or µ = m/v = 100 /1, d où V = 0,1 L soit C = n / V = 1,1.L -1 2) décrire avec précision, le mode opératoire permettant d obtenir 200 ml de solution de vinaigre dilué 50 fois. Quelle est la concentration en acide éthanoïque apporté dans la solution.? prélèvement de 4mL de vinaigre avec pipette graduée et utilisation fiole jaugée 200 ml dilution 1/50 : C 1 V 1 = C 2 V 2 avec V 1 = V 2 /50 d où C 2 = 2, L -1 3) le ph de la solution vaut 3,2. a. écrire l équation de la réaction entre l acide éthanoïque et l eau. CH 3 COOH(aq) + H 2 O(l) = CH 3 COO - (aq) + H 3 O + (aq) b. calculer la concentration aire en ion oxonium, en ion éthanoate et en acide éthanoïque dans la solution. ph = 3,2 d où [H 3 O + ] = 10-3,2 = 6, L -1 = [CH 3 COO - ] et [CH 3 COOH] = 2, L -1 c. Calculer le taux d avancement final de la réaction étudiée. état avancement CH 3 COOH(aq) + H 2 O(l) = CH 3 COO - (aq) + H 3 O + (aq) initial x = 0 n 0 (CH 3 COOH) excès 0 0 final x f n 0 x f excès x f x f avec x f = n f (H 3 O + ) x max est obtenu quand CH 3 COOH est le réactif limitant : n 0 x max = 0 soit x max = n 0 = C.V = 4,410-3 d où : τ = x f / x max = 0,028 = 28 % d. Calculer la constante d acidité du couple acide éthanoïque / ion éthanoate. [CH 3 COO - ].[ H 3 O + ] K a = [CH 3 COOH ] = 1, soit pk a = 4,7

6 VI. L éthylamine : Une solution d éthylamine de concentration 1, L -1 a un ph de 11,3. 1) l éthylamine est elle une base ou un acide dans l eau? Ecrire l équation de sa réaction sur l eau puis écrire sous la forme HA/A - le couple qui l associe à l ion éthylamonium. ph > 7 donc l éthylamine est une base dans l eau : C 2 H 5 NH 2(aq) + H 2 O (aq) = C 2 H 5 NH 3 +(aq) + HO - (aq) 2) Donner l expression littérale de la constante d équilibre K de cette réaction et calculer sa valeur numérique. [C 2 H 5 NH + 3 ] éq.[ HO - ] éq constante d équilibre K = avec [ HO - ] éq = 10 ph-pke = L -1 [C 2 H 5 NH 2 ] éq [C 2 H 5 NH 3 + ] éq = [ HO - ] éq = L -1 [C 2 H 5 NH 2 ] éq + [C 2 H 5 NH 3 + ] éq = L -1 d où [C 2 H 5 NH 2 ] éq = L -1 K = ) Exprimer la constante d acidité du couple acide / base de l éthylamine en fonction de K et du produit ionique de l eau. Calculer la valeur numérique de K a 4) [C [C 2 H 5 NH 2 ].[ H 3 O + ].[HO - 2 H 5 NH 2 ].[ H 3 O + ] ] K e K a = = = = [C [C 2 H 5 NH + 3 ].[HO - 2 H 5 NH + 3 ] ] K 5) A 100 ml de la solution d éthylamine, on ajoute 20 ml d une solution d acide éthanoïque de concentration 2, L -1. Ecrire l équation de la réaction de l acide éthanoïque sur l éthylamine. CH 3 COOH (aq) + C 2 H 5 NH 2(aq) = CH 3 COO - (aq) + C 2 H 5 NH 3 +(aq) 6) Ecrire l expression de la constante K de cette réaction puis la calculer sachant que K a (CH 3 COOH/CH 3 COO - ) = 1, Peut on considérer que la transformation de l acide éthanoïque et de l éthylamine est totale? [CH 3 COO - (].[ C 2 H 5 NH + 3 ] K K = = a K = 9, [CH 3 COOH].[ C 2 H 5 NH 2 ] K a Cette constante est supérieure à 10 5 on peut dons considérer la réaction comme totale.

7 VII. L acide ascorbique : Une solution aqueuse de volume V est obtenue en introduisant dans de l eau, 0,010 d acide ascorbique (C 6 H 8 O 6 ) et 0,010 d éthanoate de sodium (Na + + CH 3 CO - 2 ) aq La constante d équilibre associée à l équation de la réaction entre l acide ascorbique et l ion éthanoate est égale à 4,9 à 25 C. 1) Déterminer la valeur de l avancement de la réaction dans l état d équilibre. C 6 H 8 O 6 (aq) + CH 3 CO 2 - (aq) = C 6 H 7 O 6 - (aq) + CH 3 CO 2 H (aq) [C 6 H 7 O - 6 ] éq.[ CH 3 CO 2 H] éq K = [C 6 H 8 O 6 ] éq.[ CH 3 CO - 2 ] éq il va falloir calculer [C 6 H 7 O - 6 ] éq et [C 6 H 8 O 6 ] éq état avancement C 6 H 8 O 6 (aq) + CH 3 CO - 2 (aq) = C 6 H 7 O - 6 (aq) + CH 3 CO 2 H (aq) initial x = 0 0,010 0, final X éq 0,010 x éq 0,010 - x éq x éq x éq [C 6 H 7 O - 6 ] éq = [ CH 3 CO 2 H] éq = x éq / V et [C 6 H 8 O 6 ] éq = [ CH 3 CO - 2 ] éq = (0,010 - x éq ) / V (x éq ) 2 K = (0,010 - x éq ) 2 = 4,9 d où x éq = 6, ) On envisage la réaction très rapide entre une solution aqueuse d'acide ascorbique de concentration aire en soluté apporté C A = 1, L -1 et une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium de concentration aire en soluté apporté C B = 2, L -1. Le volume initial de la solution aqueuse d 'acide ascorbique est V A = 20,0 ml et on note V B le volume de la solution aqueuse d 'hydroxyde de sodium versée. a. Écrire l'équation traduisant cette réaction. HA (aq) + HO (aq) = A (aq) + H 2 O (l) b. On étudie le mélange, à 25 C, lorsque l'on a versé V B = 5,0 ml de solution aqueuse d'hydroxyde de sodium. Le ph du mélange est alors égal à 4,0. En déduire la concentration en ions oxonium H 3 O + dans ce mélange. [H 3 O + ] = 10 ph = 1, L 1 c. Calculer la concentration en ions hydroxyde dans ce mélange. En déduire la quantité n f (HO - ) d'ions hydroxyde présents à l'état final dans ce mélange. K e [HO (aq)] = [H = 1, L 1 3 O + ] n f (HO ) = [HO (aq)]. (V A + V B ) = 2, d. Dresser le tableau descriptif de la réaction chimique entre l'acide ascorbique et les ions hydroxyde. En déduire la valeur numérique de l'avancement final x f. état avancement HA (aq) + HO (aq) = A (aq) + H 2 O (l) initial x = 0 n 0 (HA) n 0 (HO ) 0 excès final x éq n 0 (HA) x f n 0 (HO ) x f x f excès n 0 (HA) = C A V A = 2, et n 0 (HO ) = C B V B = 1, n 0 (HO ) x f = n f (HO ) d où x f = 1, e. La transformation est-elle totale? Si H 3 O + est limitant alors C A V A = x max soit x max = 2, Si HO est limitant alors C B V B = x max soit x max = 1, Le réactif limitant est l anion hydroxyde HO. τ = x f / x max = 100% la transformation est totale