Stœchiométrie Daniel Abegg Alexandre Dumoulin Université de Genève, Science II, Laboratoire G Groupe 7 12 novembre 2006 Résumé L analyse qualitative est utilisée pour déceler la présence de certains ions dans une solution inconnue donc la méthode consiste à crée un précipié avec un réactif. Un réactif limitant est la molécule qui limite la réaction, en d autre terme elle se transformera complètement en produit, tandis que la ou les autre(s) molécule(s) ne le feront pas et resteront en solution. La méthode de Job utilise le cas d un réactif limitant pour trouver les coefficients stœquiométriques, en faisant varier la concentration de 2 solutions mélangées et d observer le précipité le plus lourd, celui qui définit les coefficients réels pour équilibrer l équation chimique voulue. Introduction Le but de cette expérience est de mélanger divers solutions entre elles et d observer la création de précipité ainsi que leurs compositions. Dans un premier temps en utilisant l analyse qualitative. Puis nous ferons un mélange pour illustrer le cas d un réactif limitant. Pour finir nous expérimenterons la méthode de Job. Questions y = a 1 x + b 1 ; y = a 2 x + b 2 a 1 x + b 1 = a 2 x + b 2 a 1 x a 2 x = b 2 b 1 x(a 1 a 2 ) = b 2 b 1 x = b 2 b 1 a 1 a 2 M Sel = 386 [g] [mol] 0.2[mol] 0.1[l] = 7.72[g] [l] Méthodologie Le calcul pour trouver la masse à peser est : (Masse atomique) (Concentration) (Volume). 1
Nom Symbole Masse atomique [g/mol] Potassium K 39.098 Iode I 126.90 Sodium N a 22.990 Brome Br 79.904 Chlore Cl 35.453 Azote N 14.007 Soufre S 32.065 Chrome Cr 51.996 Argent Ag 107.87 Plomb P b 207.2 Baryum Ba 137.33 Oxygène O 15.999 Fig. 1 Les éléments qui seront utilisés Préparation d une solution de concentration molaire prescite Tout les solutions de cette partie possèdent 0.2 [M] (concentration). Pesage sur la balance analytique : M KI = 3.20[g] Dissout avec 20 [ml] d H 2 O dém dans le bécher initial contenant le KI et mis dans un ballon jaugé. Remplissage du ballon jaugé jusqu a la graduation de 100 [ml] transfert quantitatif. La ligne des 100 [ml] est prise par le bas du ménisque et atteinte avec la pipette pasteur. Le KI est totalement dissout dans l H 2 O dém transparent. M Na2SO 4 = 2.84[g] M BaCl2 2H 2O = 4.88[g] Préparation des composés dans 100 [ml] séparément en utilisant le même procédé que por le KI. Na 2 SO 4 est difficile à diluer dans l H 2 O dém car la poudre a formé un cailloux. BaCl 2 est aussi difficile à diluer. Chauffage et agitation de Na 2 SO 4 avec barreau magnétique pour favoriser la dilution. Le BaCl 2 2H 2 O n a que été agité. M NaCl = 0.235[g] M NaBr = 0.405[g] Mise en ballons jaugés de 100 [ml] du Na 2 SO 4 et du BaCl 2 2H 2 O et dans des ballons de 20 [ml] pour le NaCl et le NaBr, puis mises en flacons. Perte dans l entonnoir lors du transfert. Précipitation et analyse qualitative Dilution à 20 [ml] dans un ballon jaugé. M KNO2 = 0.353[g] 2
NB : Toutes les dilutions sont libélées et fermées dans des flacons en plastique. Prise de 10 [ml] de AgNO 3, P b(no 3 ) 2, Na 2 S et Na 2 CrO 4 et mises dans des béchers. Na 2 CrO 4 est de couleur jaune et Na 2 S sent très fortement le soufre. Mélanges Dans chaque éprouvette est inséré 2 [ml] de la solution A puis est ajouté quelques gouttes de la solution B. Nom du sel Symbole Masse molaire Volume Concentration Masse [g/mol] [ml] [mol/l] [g] Iodure de potassium KI 165.998 100 0.2 3.22 Sulfate de sodium Na 2 SO 4 142.041 100 0.2 2.84 Chlorure de baryum BaCl 2 208.236 100 0.2 4.16 Bromure de sodium N abr 102.894 20 0.2 0.41 Chlorure de sodium N acl 58.443 20 0.2 0.23 Nitrite de potassium KNO 2 85.103 20 0.2 0.34 Nitrate d argent AgNO 3 169.874 10 0.1 0.17 Nitrate de plomb P b(no 3 ) 2 331.208 10 0.2 0.66 Sulfure de sodium Na 2 S 78.045 10 0.2 0.16 Chromate de sodium Na 2 CrO 4 161.972 10 0.2 0.32 Fig. 2 Les données pour les solutions utilisées Solution A Symbole Solution B Symbole Iodure de potassium KI Nitrate d argent AgNO 3 Bromure de sodium NaBr Nitrate d argent AgNO 3 Chlorure de sodium NaCl Nitrate d argent AgNO 3 Nitrite de potassium KNO 2 Nitrate d argent AgNO 3 Sulfure de sodium Na 2 S Nitrate d argent AgNO 3 Chromate de sodium Na 2 CrO 4 Nitrate d argent AgNO 3 Sulfate de sodium Na 2 SO 4 Nitrate d argent AgNO 3 Iodure de potassium KI Nitrate de plomb P b(no 3 ) 2 Bromure de sodium NaBr Nitrate de plomb P b(no 3 ) 2 Chlorure de sodium NaCl Nitrate de plomb P b(no 3 ) 2 Sulfure de sodium Na 2 S Nitrate de plomb P b(no 3 ) 2 Chromate de sodium Na 2 CrO 4 Nitrate de plomb P b(no 3 ) 2 Sulfate de sodium Na 2 SO 4 Chlorure de baryum BaCl 2 Fig. 3 Les mélanges qui vont être formés 3
KI (aq) + AgNO 3(aq) AgI (s) + NO 3(aq) + K+ (aq) NaBr (aq) + AgNO 3(aq) AgBr (s) + NO 3(aq) + Na+ (aq) NaCl (aq) + AgNO 3(aq) AgCl (s) + NO 3(aq) + Na+ (aq) KNO 2(aq) + AgNO 3(aq) AgNO 2(s) + NO 3(aq) + K+ (aq) Na 2 S (aq) + AgNO 3(aq) Ag 2 S (s) + NO 3(aq) + 2Na+ (aq) Na 2 CrO 4(aq) + 2AgNO 3(aq) Ag 2 CrO 4(s) + 2NO 3(aq) + 2Na+ (aq) Na 2 SO 4(aq) + AgNO 3(aq) = 2Na + (aq) + Ag+ (aq) + SO 4(aq) + NO 3(aq) 2KI (aq) + P b(no 3 ) 2(aq) P bi 2(s) + 2NO 3(aq) + 2K+ (aq) 2NaBr (aq) + P b(no 3 ) 2(aq) P bbr 2(s) + 2NO 3(aq) + 2Na+ (aq) NaCl (aq) + P b(no 3 ) 2(aq) = Na + (aq) + P b++ (aq) + Cl (aq) + 2NO 3(aq) Na 2 S (aq) + P b(no 3 ) 2(aq) P bs (s) + 2NO 3(aq) + 2Na+ (aq) Na 2 CrO 4(aq) + P b(no 3 ) 2(aq) P bcro 4(s) + 2NO 3(aq) + 2Na+ (aq) Na 2 SO 4(aq) + BaCl 2(aq) BaSO 4(s) + 2Cl (aq) + 2Na+ (aq) Fig. 4 Les équations des réactions [h] Cl Br I NO3 NO2 SO4 S CrO4 Na + K + Ag + AgCl AgBr AgI AgNO 2 Ag 2 SO 4 Ag 2 S Ag 2 CrO 4 P b ++ P bbr 2 P bi 2 Pb(NO 2 ) 2 PbSO 4 P bs P bcro 4 Ba ++ BaNO 2 BaSO 4 BaCrO 4 Fig. 5 La formations des ions selon les mélanges et les autres ions possibles Sel Précipité Surnageant AgCl blanc-violet transparent P bcl 2 transparent AgBr blanc-cassé transparent P bbr 2 blanc transparent AgI jaune transparent P bi 2 jaune transparent AgNO 2 rouge-noir transparent AgSO 4 transparent BaSO 4 blanc blanchâtre / transparent Ag 2 S noir transparent P bs noir légèrement noircis / transparent Ag 2 CrO 4 rouge foncé jaune P bcro 4 jaune jaune Fig. 6 Les résultats observés des mélanges 4
Le P b(no 2 ) 2, BaNO 2 et P bso 4 formeront, si crées, des précipités car ils sont des éxeptions. Par contre le BaS ne formera rien, car Ba ++ ne réagit pas avec le ion S car Ba ++ est un métal alcalin terreux. En ce qui concerne le BaCrO 4, il est peu soluble comme le Ag 2 SO 4. Synthèse d un sel mixte Pour trouver la masse voulue : (Masse atomique) (nombre de moles) 237.559[g] 0.005[mol] : 208.236[g] 0.005[mol] : M NiCl2 6H 2O = 1.85[g] M BaCl2 2H 2O = 1.24[g] Mélange des 2 sels dans un Erlenmeyer puis ajout de environ 6 [ml] Le mélange est de couleur verte 85.103[g] 0.05[mol] : Ni ++ + Ba ++ + 2K + + 6NO 2 K 2BaNi(NO 2 ) 6 M KNO2 = 4.27[g] Ajout de 5 [ml] d H 2 O dém au KNO 2. Ajout de 1 [ml] d H 2 O dém au KNO 2 car il n est pas totalement dissout. Mélange des 2 solutions ; le KNO 2 est ajouté avec une pipette pasteur. Plus on ajoute de KNO 2, plus la solution devient opaque et nous observons la formation d un précipité orange. Puis la solution tourne à l orange opaque. La solution est mise pendant 30 minutes dans un bac de glace. KNO 2 0.2[M] 0.01[l] : M KNO2 = 0.19[g] Ajout de 1 [ml] d H 2 O dém au KNO 2 puit mis dans le bac à glace. Filtration au Büchner de la solution K 2 BaNi(NO 2 ) 6. Puis le filtre est lavé avec 1 [ml] de KNO 2 glacé et avec 2 5[ml] d acétone. Le précipité ressemble à du sable humide couleur ocre avec des roses de sable. Mise en bécher du K 2 BaNi(NO 2 ) 6 et déposé dans le dessicateur sous vide pour 24 heures. Le K 2 BaNi(NO 2 ) 6 est sec et est comme des petites pierres plates M K2BaNi(NO 2) 6 = 2.7[g] Rendement 1 mole de K 2 BaNi(NO 2 ) 6 pèse 550, 25[g] 550.25[g] 0.005[mol] = 2.75[g] = 100% de rendement. Donc : 2.7 100 = 98.14% 2.75 5
La formule d un sel selon la méthode de Job Mélange de P b(no 3 ) 2 et du KI selon le tableau ci dessous : Le précipité est du iodure de plomb : P b(no 3 ) 2 + 2KI P bi 2 + 2NO 3 + 2K+ Numéro de Volume de solution Volume de solu- Moles de A Moles de B Masse l éprouvette A [ml] tion B [ml] [mmol] (n a ) [mmol] (n b ) Précipité [g] 1 1.0 9.0 0.2 1.8 0.080 2 2.0 8.0 0.4 1.6 0.167 3 3.0 7.0 0.6 1.4 0.270 4 4.0 6.0 0.8 1.2 0.286 5 5.0 5.0 1.0 1.0 0.240 6 6.0 4.0 1.2 0.8 0.189 7 7.0 3.0 1.4 0.6 0.139 8 8.0 2.0 1.6 0.4 0.130 9 9.0 1.0 1.8 0.2 0.124 du Fig. 7 Le tableau des dosages Il y a des taux différents de précipités dans les éprouvettes, il y en a le plus dans les numéros 3 et 4. Les précipités sont de couleurs jaune. Pliage de 9 filtres, qui ont ensuite été numérotés, mis à l étuve (110 o C) et refroidit au dessicateur. Puis les solutions sont filtrées à travers un entonnoir. Les solutions, après filtration, provoquent dans le bécher, la recréation de précipité jaune. Mais seulement à partir, que les ions limitant, sont en quantités suffisantes dans le bécher. Hypothèse sur les précipités Certaines éprouvettes contiennent plus de précipités. Celles-ci sont les plus équilibées, au rapport réactif limitant et réactif en excès. Les filtres avec les précipités sont mis 60 minutes à l étuve (110 o C), ensuite dans le dessicateur pour les refroidirent. Puis ils ont été pesés. Numéro de Masse du Masse du filtre et Masse du l éprouvette filtre [g] du précipité [g] précipité [g] 1 0.81 0.89 0.08 2 0.78 0.947 0.167 3 0.80 1.07 0.27 4 0.80 1.086 0.286 5 0.79 1.03 0.24 6 0.83 1.019 0.189 7 0.79 0.929 0.139 8 0.80 0.93 0.13 9 0.805 0.929 0.124 Fig. 8 Les résultats de la filtration 6
0.4 0.35 Coefficients stoechiométriques de la réaction f(x) g(x) 0.3 Quantité de précipité [g] 0.25 0.2 0.15 f(x) = 0.475x 0.0177 g(x) = 0.17x + 0.4057 0.1 0.05 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Quantité de réactif [mmol] Fig. 9 Le graphique des coefficients stœquiométriques de la réaction expérimentée Point d intersection x 0 = b 2 b 1 0.4057 + 0.0177 = = 0.66 a 1 a 2 0.475 + 0.17 Formule pour trouver les coefficients stœchiométriques de la réaction aa + bb C (n 0 = n a + n b ) b a = n b = n 0 n a = 2 0.66 = 2.03 n a n a 0.66 = 2 Conclusion A + 2B C Nous avons obersé la formation de nombreux précipité de différentes couleurs et que certaines couleur réapparaissaient avec les mêmes anions. Nous avons eu un tès bon rendement avec la synthèse du sel mixte (K 2 BaNi(NO 2 ) 6 ). Si nous additions la masse de chaque sel, cette masse est largement supérieur au rendement de 100% et la raison pour laquelle c est le cas, c est que les ions Ni ++ et Ba ++ étaient limitants. La méthode de Job, nous a permis de déterminer les coefficients réels pour équilibrés notre équation chimique, à l aide de nombreuses concentrations différentes, qui nous ont permis d observer la variation de masse du précipité formé, et donc l effet d un réactif limitant sur la masse de ce dernier. 7