Comprendre : Lois et modèles Chapitre 9 : Réaction par échange de proton du chapitre 9 Niveau 1 Exercice 1 : Ecrire des couples acides bases 1 / Compléter le tableau suivant pour définir des couples acide-base conjugués Acide Base 2 Exercice 2 : Utiliser les symboles On introduit une quantité 10,0 d une acide et la même quantité n d une base dans 1,0L d eau. Le tableau ci-dessous donne les valeurs de l avancement de la réaction acido-basique observée pour différents acides et bases Acide Base Avancement (mmol) 6,40 10,0 9,96 6,27.10 Exercice : Ecrire une équation de réaction acido-basique Ecrire l équation de la réaction de chacune des espèces suivantes avec l eau : 1 / Méthylamine, base faible 2 / Ion hydrogénosulfite acide faible / Ion hydrogénosulfite base faible 4 / Ion méthlamidure, base forte Exercice 4 : Lait frais L acide lactique est un acide carboxylique de formule!. Il s agit d un acide faible. Le pka du couple vaut,9. 1 / Donner la formule de la base conjuguée de l acide lactique.! 2 / Sur un axe gradué en ph, indiquer les domaines de prédominance de l acide lactique et de sa base conjuguée. 1
Comprendre : Lois et modèles Chapitre 9 : Réaction par échange de proton / Le lait frais est voisin de 6,5. Sous quelle forme acido-basique l acide lactique est-il majoritairement présent dans le lait? L acide lactique est présent majoritairement sous la forme!. Niveau 2 Exercice 5 : Acidité du vinaigre L acidité d un vinaigre est due à la présence d acide éthanoïque un acide faible. Un vinaire de vin contient une masse 60 " d acide éthanoïque par litre. Son ph est voisin de 2,5 La masse molaire de l acide éthanoïque est # 60 ". $. 1 / Ecrire l équation de la réaction entre cet acide et l eau. 2 / Déterminer l avancement final de la réaction pour un échantillon de volume V=1,0 L de ce vinaigre. On sait que % "& ' Donc & ' 10 () 10,*,2.10., $ / Estimer les quantités de matière d acide éthanoïque et de sa base conjuguée dans l échantillon de volume V de vinaigre. Calcule de la quantité de matière initiale de. # 60 60 1 Calcul de la quantité de matière finale 1,2.10 0,9968 La quantité de matière de formée est :,2.10 Il s en forme autant que de Exercice 6 : Sang La température normale du corps humain est de 7 C. A cette température le produit ionique de l eau./ est de 1,9.10 $. 1 / Déterminer le ph d une solution neutre à cette température. On sait que./ & '.& ' Lorsque la solution est neutre on a : & ' & ' Donc :./ & ' & ' 0. 1 01,9.10 $ 1,8.10 2., $ % log& ' 6,86 2 / Le ph moyen du plasma sanguin est de 7,4. Le plasma est-il une solution acide ou basique? Le sang est basique à cette température. / Les valeurs de ph du sang compatibles avec la vie sont comprises entre 6,8 et 7,8. A quel intervalle de concentration en ions ces valeurs correspondent-elles? & ' 10 () 10 6,7 1,58.10 2., $ & ' 10 () 10 2,7 1,58.10 7., $ 2
Exercice 7 : Solution d un comprime d aspirine L aspirine ou acide acétylsalicylique est un acide faible de formule 9 7. On dissout dans l eau un comprimé renfermant une quantité 2,8 d aspirine dans un verre contenant un volume : 0,20, d eau. 1 / Ecrire que la réaction entre l acide acétylsalicylique et l eau. 9 7 9 2 2 / Dresser son tableau d avancement. Etat et avancement 9 7 9 2 Initial x = 0 mol 9 7!! 0 0 Intermédiaire x 9 7! ;! ; ; ; Final x final 9 7! ; <! ; < ; < ; < / Le ph de la solution est de 2,7. Montrer que cette mesure permet de compléter le tableau d avancement de la réaction. On sait que % "& ' donc & ' 10 () & ' 10,2 2.10., $ Or on sait que : 0,20, donc! ; < 2.10.0,20 4.10 4 / En déduire la constante d acidité puis le %.= du couple formé par l acide acétylsalicylique et sa base conjuguée..= & 9 2 '.& ' 2.10.2.10 & 9 7 ' 2,8.10 4.10!/0,2,.10 %.= log.=! log,.10!,48 Exercice 8: L acide sulfurique L acide sulfurique de formule brute est un diacide, c est-à-dire que chaque molécule d acide sulfurique est susceptible de céder deux ions. 1 / Ecrire l équation de la réaction de ce diacide fort avec l eau. 2 2 2 / On introduit une quantité 2,0.10 d acide sulfurique dans un échantillon de volume : 0,50, d eau. Construire un tableau d avancement de la réaction qui se produit. Etat et avancement 2 2 Initial x = 0 mol! /;?èa 0 0 Intermédiaire /;?èa x! ; 2; ; Final /;?èa x! ; BCD 2; BCD ; BCD final / Quelle est la concentration en ions oxonium dans la solution obtenue? En déduire le ph de la solution. Il s agit d un acide fort donc tout le va réagir totalement avec l eau, il sera donc le réactif limitant.! ; BCD 0
; BCD 2,0.10! 2; BCD 4,0.10 % "& ' % loge 4,0.10 F,1 0,5 Niveau Exercice 8 : Aquarium Un aquarium et tout ce qu il contient forment un système complexe à l équilibre fragile. De nombreux facteurs peuvent provoquer un déséquilibre dangereux pour la vie et la santé des poissons. En particulier, le ph de l eau est une grandeur à mesurer régulièrement et à réguler si nécessaire. Il ne doit pas varier de plus de 0,5 unité de ph. Un aquariophile débutant n arrive pas à réguler le ph de son aquarium qui contient des plantes et des poissons (scalaires, néons cardinal et guppys). Le matin, le ph de l eau est d environ 6,7 et le soir de 7,5. Paramètres optimaux de vie pour différents poissons : Source aquavipare.fr poisson ph Température ( C) néon cardinal 5,0 à 7,0 25 à 0 scalaire 4,5 à 7,0 27 à 0 guppy 6,0 à 8,0 18 à 0 Cet exercice a pour but d aider l aquariophile à réguler le fonctionnement de son aquarium. Sur les forums d aquariophilie on peut trouver quatre techniques d ajustement du ph : Technique n 1. Ajouter un peu d acide sulfurique, commercialisé, par exemple, sous la dénomination «ph minus». Il s agit d un acide fort, la variation du ph sera rapide et peut-être plus importante que souhaitée. Technique n 2. Injecter du dioxyde de carbone dans l eau. Pour injecter du dioxyde de carbone dans un aquarium, le plus simple est d utiliser un kit comprenant un bulleur, un détendeur et une bouteille pressurisée. Ce système peut être couplé à une électrovanne programmable permettant de choisir les horaires des périodes d injection du dioxyde de carbone. Le système peut encore être optimisé en combinant un ph-mètre à l installation, permettant une gestion automatisée de la régulation du ph. D après : http://www.aqua-planete.com/co2.php Technique n. Ajouter une solution contenant des ions hydroxyde de formule HO. L ajout doit être modéré car si l eau devient trop basique, les ions ammonium présents dans l eau pourraient se transformer en ammoniac, un gaz dissous particulièrement toxique pour les poissons. Technique n 4. Ajouter de la craie dans l eau de l aquarium. Données : 4
Les craies traditionnelles sont composées presque exclusivement de carbonate de calcium, un solide ionique constitué d ions calcium Ca 2+ 2- et carbonate CO. Masse molaire du carbonate de calcium : M(CaCO ) = 100 g.mol -1. Masse d un bâton de craie : environ 10 g. Couples acide/base pka H 2CO /HCO 6, HCO /CO 2 10, Consommation et production de dioxyde de carbone et de dioxygène par les plantes aquatiques et les poissons : De jour comme de nuit, les poissons respirent ; ils absorbent donc du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone. En ce qui concerne les plantes, deux phénomènes sont à prendre en compte : De jour comme de nuit, elles respirent. De jour, lorsqu elles reçoivent de la lumière, les plantes réalisent la photosynthèse : elles captent du dioxyde de carbone et produisent du glucose. La photosynthèse est modélisée par la réaction d équation suivante : ν 6 CO 2 + 6 H 2O h C 6H 12O 6 + 6 O 2 Globalement, lorsqu elle reçoit suffisamment de lumière, une plante absorbe plus de dioxyde de carbone par la photosynthèse qu elle n en rejette par la respiration. (jour) (jour et nuit) Questions. 1 / Une solution «ph minus» vendue pour faire baisser le ph dans un aquarium contient des ions H O + à la concentration de,0 mol.l -1. Pour mettre en œuvre une des techniques, un aquariophile conseille sur un forum de prélever de l eau de l aquarium dans un récipient propre afin de diluer 50 fois la solution de «ph minus» avant de l introduire dans l aquarium. Déterminer la valeur du ph de la solution versée dans l aquarium. 2 /Une des techniques propose d injecter du dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone se dissout dans l eau et y forme l acide carbonique H 2CO selon la réaction d équation suivante : CO 2(aq) + H 2O (l) H 2CO (aq) 2.1 / À l aide des couples acide/base mis en jeu, écrire l équation de la réaction intervenant entre l acide carbonique et l eau. 2.2 / Quel est l effet de cette injection de dioxyde de carbone sur la valeur du ph de l eau de l aquarium? Cette injection est-elle à conseiller à l aquariophile débutant? 5
2. / Tracer, sur un axe gradué, les domaines de prédominance des espèces acido-basiques H 2CO, 2 HCO et CO. Déterminer l espèce prédominante le matin et le soir dans l eau de l aquarium étudié. 2.4 / On considère un aquarium de volume 100 L dont l eau a une valeur de ph égale à,0. On se propose d étudier l effet de l ajout de craie dans l eau comme proposé dans l une des techniques..1 / L ajout d un quart de bâton de craie permettra-t-il d obtenir une solution neutre? Pour répondre à cette question, on modélisera la transformation par la réaction intervenant entre les ions carbonate CO 2 présents dans la craie et les ions oxonium H O + de l aquarium formant de l acide carbonique et de l eau. On considèrera cette réaction comme totale..2 / Déterminer l espèce prédominante après traitement. La modélisation choisie est-elle pertinente? 4 / Compléter le tableau ci-dessous, en indiquant les numéros des techniques proposées sur Internet permettant de faire diminuer ou augmenter le ph. Techniques permettant de diminuer le ph de l eau Techniques permettant d augmenter le ph de l eau 1. ph = log [H O + ] Dans la solution «ph minus», on a [H O + ] 0 =,0 mol.l -1. [ H Diluée 50 fois, on obtient une solution de concentration en ions oxonium [H O + O + ] 0 ] = 50 [ HO + ] 0 ph = log 50 ph = log 6,0 10 2 = 1,2 Cette solution est très acide. 2.1. H 2CO (aq) + H 2O (l) HCO (aq) + H O + (aq) 2.2. Le dioxyde de carbone forme de l acide carbonique H 2CO qui en réagissant avec l eau libère des ions oxonium H O + dans le milieu. Ainsi [H O + ] augmente et comme ph = log [H O + ] alors la valeur du ph diminue. On peut recommander ce système à l aquariophile débutant à condition qu il combine ce système à une électrovanne programmable et surtout à un ph-mètre permettant une gestion automatisée de la régulation du ph. 2.. H CO 2 2 CO HCO ph 6, 10, Le matin, comme le soir, le ph est compris entre 6, et 10,. Ainsi HCO est l espèce prédominante dans l aquarium..1. Un quart de bâton de craie contient environ 2,5 g de carbonate de calcium CaCO. Sa dissolution, supposée totale, a pour équation CaCO (s) Ca 2+ 2 (aq) + CO (aq). Elle apporte une quantité d ions carbonate telle que n = n 2 CaCO CO 6
Comprendre : Lois et modèles mcaco = n 2 CO M CaCO 2,5 n 2 CO = = 2,5 10 2 mol apportée 100 Ces ions carbonate réagissent avec les ions oxonium suivant la réaction : 2H O + 2 + CO H 2CO + 2H 2O n + On a consommée = n 2 apportée n H O HO 2 CO + consommée = 2 2,5 10 2 = 5,0 10 2 mol Chapitre 9 : Réaction par échange de proton + La quantité de matière initiale d ions oxonium valait n = [ H O ]. V = 10 ph.v Après ajout de la craie, elle vaut n = n n n + HO finale + HO ini + + + H O finale H O ini H O consommée,0 2 = 10 100 5,0 10 = 5,0 10 2 mol La concentration en ions oxonium de l aquarium diminue. n H O + finale [H O + ] finale = V 2 5,0 10 [H O + ] finale = = 5,0 10 4 mol.l -1 100 Ainsi ph final = log[ HO + ] finale ph final = log 5,0 10 4 =, Le ph a augmenté de 0,, il n est pas égal à 7,0. La solution n est pas neutre..2. D après le diagramme de prédominance précédent, l acide carbonique H 2CO prédomine à un ph =,. La modélisation choisie n est pas pertinente puisque le ph de l aquarium est plus proche de 7,0 que de,0. 4. Techniques permettant de diminuer le ph de l eau n 1 et n 2 Techniques permettant d augmenter le ph de l eau n et n 4 ini 7