DM1 Chimie des solutions (révisions PCSI) A rendre le vendredi 12 septembre 2014 Problème 1 : On cherche à tracer le diagramme potentiel-ph de l iode pour une concentration de tracé, concentration totale atomique en élément iode C = 0;001mol.L -1. Sur la frontière entre deux espèces dissoutes, les concentrations atomiques sont égales. Sur le diagramme donné en annexe, à rendre avec la copie, les droites frontières pour les couples IO 3 - / I 2 (aq) ; I 2 (aq) / I. ; IO 3 - / I - sont tracées. Dans cette partie, on néglige les ions triiodure I 3 -. 1.1. Retrouver par le calcul l équation de la droite frontière pour le couple I 2 (aq) / I. Identifier cette droite sur le diagramme. 1.2. Retrouver les coefficients directeurs des droites frontières pour le couple IO 3 - / I 2 (aq) d une part, pour le couple IO 3 - / I - d autre part. Identifier les droites correspondantes du diagramme. 1.3. Indiquer laquelle des espèces peut subir une dismutation. Écrire l équation de cette réaction de dismutation en milieu acide d une part, en milieu basique d autre part. Calculer, dans chaque cas, la constante de réaction. Conclure. 1.4. En justifiant brièvement, terminer le diagramme potentiel-ph de l iode : tracer en trait plein les frontières utiles, préciser les domaines de prédominance des différentes espèces. 1.5. Indiquer les espèces stables en solution aqueuse, justifier. Détermination du degré d insaturation d une huile végétale Une alternative aux phtalates utilisés comme plastifiants dans l industrie des polymères organiques est de les remplacer par des diesters formés entre l isosorbide et des acides gras. Les acides gras sont obtenus par saponification des huiles végétables. Ce sont des acides carboxyliques à longue chaîne hydrocarbonée pouvant présenter des doubles liaisons C=C. Ces insaturations sont sensibles à l oxydation et il importe de connaître le nombre d insaturations de l huile qui fournira les acides gras. Pour qualifier le nombre d insaturations d une masse d huile, on détermine une grandeur appelée «indice d iode». 2.1. Le dosage repose sur la réaction du chlorure d iode ICl sur les doubles liaisons C=C. Pour le dosage, on dispose d une solution de chlorure d iode dans l acide éthanoïque glacial, appelée «réactif de WIJS» ; sa concentration en ICl, voisine de 0,1 mol.l -1, n est pas connue de façon précise. On réalise la manipulation suivante : _ Dans un erlenmeyer sec, on introduit une masse d huile mh = 0;127 g, puis 25 ml de cyclohexane et un volume VJ = 10;0 ml de réactif de WIJS. On obtient ainsi l échantillon A. _ On prépare un échantillon témoin (échantillon B) en introduisant, dans un autre erlenmeyer sec, 25 ml de cyclohexane et 10,0 ml de réactif de WIJS. _ On place les deux échantillons à l obscurité. Au bout de 40 minutes, on ajoute dans chaque erlenmeyer 15 ml d une solution d iodure de potassium. L iodure de potassium est en excès par rapport à la quantité résiduelle de ICl. _ Cinq minutes plus tard, on titre le contenu de chacun des erlenmeyers avec une solution de thiosulfate de sodium (2 Na + + S 2 O 2 3 ) de concentration CS = 1,00.10-1 mol.l-1. Quand la solution devient jaune paille, on ajoute quelques millilitres d une solution d empois d amidon. Résultat du dosage des échantillons A et B : la disparition de la couleur bleue est observée pour les volumes de titrant ajoutés donnés dans le tableau ci-contre. C. Saury PC Page 1 sur 5
Échantillon Volume équivalent A V E A = 11;6 ml B V E B = 20;4 ml 2.2. Écrire l équation de la réaction qui se produit entre I en excès et ICl pour donner I - 3 et Cl. Indiquer si la réaction est quantitative, justifier brièvement, aucun calcul n est demandé. 2.3. Indiquer les instruments de verrerie utilisés pour le prélèvement de la solution de réactif de WIJS d une part, d iodure de potassium d autre part, justifier brièvement. 2.4. Indiquer à quoi sert l attente de 5min avant le dosage. - 2.5. Proposer une explication à la nécessité de se placer en milieu acide pour le dosage de I 2 (aq) ou de I 3. 2.6. Écrire l équation de la réaction du dosage de I 3 et justifier brièvement son utilisation pour le dosage. 2.7. Donner l expression littérale de la quantité de matière de chlorure d iode introduite initialement dans l échantillon B, puis la calculer. 2.8. Déterminer alors la quantité de matière de chlorure d iode fixée sur les doubles liaisons C=C des molécules de l huile. 2.9. Exprimer la masse de diiode qui se serait fixée sur les doubles liaisons C=C de l huile si on avait fait réagir I 2 et non ICl. L application numérique n est pas demandée. 2.10. On appelle indice d iode d une substance la masse de diiode (exprimée en g) que fixerait une masse m = 100 g de l échantillon analysé. Déterminer la valeur numérique de l indice d iode de l huile analysée Données Masse molaire atomique de l iode : MI = 127 g.mol-1 Constante des gaz parfaits : R = 8 J.K-1.mol-1 R T ln10/f = 0;060 V à T = 298 K Potentiels standard à 298 K et ph = 0 Couple IO - 3 / I 2 (aq) I 2 (aq) / I I - 3 /I - ICl(aq)/ I 3 S 4 O 2-2 6 /S 2 O 3 O 2 (g)/h 2 O E(V) 1,18 0,62 0,54 1,20 0,08 1,23 Constante de l équilibre I 2 (aq) + I (aq) = I 3 - (aq) : KI = 4;65.10 2 C. Saury PC Page 2 sur 5
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Probleme 2 : Devoir Maison MathSpé PC 2014-2015 L'objectif de cette partie est d'étudier la dissolution du dioxyde de carbone dans l'eau pour déterminer quelques ordres de grandeur concernant la bouteille étudiée. L'eau gazéifiée peut être assimilée à une eau dans laquelle s'est dissous naturellement ou artificiellement du dioxyde de carbone. L'un des sites internet de la marque fournit le descriptif suivant : " Les sodas se composent de 90 à 99 % d'eau. Nous utilisons exclusivement de l'eau de source ou de l'eau de distribution, qui subiront chacune un traitement approprié. [...] Ces eaux contiennent une certaine quantité d'oxygène et c'est la raison pour laquelle elles sont purgées lors de leur préparation. Le gaz carbonique ou CO 2 remplit plusieurs fonctions. Il contribue à étancher la soif, renforce l'arôme et prolonge la durée de conservation. Il réduit également la présence potentielle d'autres gaz dans la boisson. La plupart de nos sodas contiennent 5 à 8 g de CO 2 par litre. Le CO 2 est amené sous forme liquide et est stocké sous pression à température peu élevée. Avant utilisation, il est gazéifié dans un échangeur thermique." Le dioxyde de carbone se dissout dans l'eau en donnant une solution, siège des équilibres suivants, à 298 K : (1) CO 2 (g) = CO 2 (aq) K 1 = 3,39.10 2 (2) CO 2 (aq) + H 2 O(liq) = H 2 CO 3 (aq) K 2 = 2,51.10 3 (3) H 2 CO 3 (aq) + H 2 O(liq) = HCO 3 (aq) + H 3 O + (aq) K 3 = 1,58.10 4 (4) HCO 3 (aq) + H 2 O(liq) = CO 2 3 (aq) + H 3 O + (aq) K 4 = 5,01.10 11 1. Structures de Lewis 1.a) Représenter une structure de Lewis pour chacune des espèces chimiques suivantes : H 2 O, CO 2, CO 3 2. 1.b) Présenter la méthode VSEPR sur l'exemple de la molécule d eau. 1.c) Dans l'ion carbonate CO 3 2, peut-on prévoir des longueurs de liaison égales? 2. Solubilité de CO 2 : quelques ordres de grandeur 2.1. Dissolution du dioxyde de carbone contenu dans l atmosphère. La pression partielle du dioxyde de carbone dans l'atmosphère est évaluée à 3,8 10 4 bar. Dans le document «Ressources physique-chimie», publié sur le site Éduscol, on trouve l'extrait suivant : "la question des pluies acides et de leur origine peut être abordée dans le cadre de l éducation au développement durable. Une solution aqueuse est acide si son ph est inférieur à 7 mais une pluie est dite acide si son ph est inférieur à 5,6." 2.1.a) Évaluer la quantité de matière de CO 2 dissous à l'équilibre dans un litre d'eau pure à 25 C ; le résultat obtenu est-il cohérent avec cette mesure du ph d'une eau distillée laissée longtemps à l'air libre : ph = 5,6? 2.1.b) Le dioxyde de carbone est-il responsable des pluies acides? Si non, citer une autre espèce chimique possible. 2.2. Les boissons gazéifiées. 2.2.a) On considère une bouteille d'eau, préalablement pure, gazéifiée sous une pression de CO 2 égale à 4,0 bar : évaluer la masse de CO 2 contenu dans 1,0 L de cette eau et le ph correspondant. 2.2.b) Le site officiel d'une eau minérale gazéifiée (Perrier ) annonce que les bouteilles contiennent 7 g/l de CO 2. Le ph est de 5,5. Comment est-ce possible? C. Saury PC Page 4 sur 5
3. Solubilité de CO 2 : influence du ph Devoir Maison MathSpé PC 2014-2015 La boisson étudiée contient un acidifiant qui lui confère un ph égal à 2,5 ; on étudie dans cette partie l'influence du ph sur la solubilité de CO 2. Pour résumer l'influence du ph sur la solubilité du CO 2 dans l'eau sous une pression donnée, on peut tracer un diagramme de type ps = log (s/c ) = f (ph) où s représente la solubilité de CO 2 et c la concentration de référence (c = 1,00 mol.l 1 ). On donne l'allure d'un tel diagramme ci-dessous pour (P CO2 ) équilibre = 3,8 10 4 bar. 4,9 - log(s/c ) 0,99 6,4 10,3 ph Diagramme de solubilité du CO 2 en fonction du ph 3.1. Donner l'expression de la solubilité s du dioxyde de carbone en phase aqueuse en fonction de la concentration en ions oxonium H 3 O + et de (P CO2 ) équilibre. 3.2. Retrouver, à partir de l'expression obtenue, l'équation du segment de droite situé entre ph = 6,4 et ph = 10,3. 3.3. Évaluer la pression à l'intérieur de la bouteille à 25 C en tenant compte des indications prises sur le site internet de la société et des éléments étudiés jusqu'ici. 3.4. Évaluer la solubilité du CO 2 dans la boisson étudiée, à l'équilibre thermodynamique, lorsqu'elle est laissée à l'air libre, en admettant que le ph ne change pas. C. Saury PC Page 5 sur 5