1/6 REACTIONS CHIMIQUES 1. DEFINITION Phéomèe au cours duquel les (ou le) réactifs disparaisset et des (ou le) produits apparaisset. Elle est représetée par ue.... EQUATION BILAN Pour l écrire, o répertorie les formules chimiques des réactifs et des produits. Das le membre de gauche o rage les réactifs (le) das u ordre idifféret, et das le membre de droite o rage les produits (le) das u ordre idifféret. L équatio squelette obteue doit être efi équilibrée : «rie e se perd, rie e se crée, tout se trasforme» Atoie-Lauret de Lavoisier.(1743-1794) a- Coservatio des élémets chimiques etre le membre de gauche (réactifs) et le membre de droite (produits), e utilisat des coefficiets stœchiométriques, ombres etiers ou fractioaires. b- Coservatio de la charge électrique etre les deux membres. c- Il est iterdit de modifier les formules chimiques das l équatio. L équatio bila e fait iterveir que les réactifs qui réagisset effectivemet. L équatio bila e doe aucu reseigemet sur les coditios expérimetales. 3. EXEMPLES 3 A. Combustio du carboe das le dioxygèe de l air Air : mélage de 80 % de diazote N et de 0 % de dioxygèe O, mais seul le dioxygèe figure das l équatio bila. L eau de chaux se trouble, elle met e évidece la présece de dioxyde de carboe CO, produit de la réactio. L aspect thermique (icadescece, émissio de lumière...) e figure pas das l équatio bila. C + O CO 3 B. Combustio du dihydrogèe das le dioxygèe O obtiet de l eau. Etat iitial réactifs Les chocs etre les molécules H et O sot peu violets. Il e se passe rie. Apport d éergie : éticelle, flamme... La vitesse des molécules s accroît. Les chocs sot violets. Les liaisos etre les atomes sot détruites. Les atomes sot libérés... Etat fial produits les atomes H et O se recombiet d ue autre maière, plus stable, pour former de ouvelles molécules. H + O H O (ou) H + 1 O H O
/6 3 C. Combustio du propae das le dioxygèe O obtiet du dioxyde de carboe et de l eau Receser les élémets chimiques présets: C, H et O. Equatio squelette: C 3 H 8 + O CO + H O Pour équilibrer commecer par l élémet chimique (C ou H) iterveat das le plus petit ombre de composés chimiques, puis cotiuer petit à petit vers celui qui iterviet le plus (O). C 3 H 8 + O 3 CO + H O C 3 H 8 + O 3 CO + 4 H O C 3 H 8 + 5 O 3 CO + 4 H O 3 D. Oxydoréductio etre l élémet fer et l élémet alumiium (solutio aqueuse) Receser les élémets chimiques présets: Fe et Al. Equatio squelette: Fe + + Al Fe + Al 3+ Assurer l électroeutralité de l équatio bila : l esemble des réactifs possède charges positives, tadis que l esemble des produits possède 3 charges positives. «l esemble des réactifs doit posséder la même charge que l esemble des produits». O pred ici le plus petit multiple commu, soit 6 charges positives 3 Fe + + Al Fe + Al 3+ Modifier les coefficiets stœchiométriques pour assurer la coservatio des élémets. 3 Fe + + Al 3 Fe + Al 3+ 4. FAMILLES de REACTION 1) Combustio Elles fot iterveir deux réactifs, u carburat (C 3 H 8 ) u comburat (O ). C 3 H 8 + 5 O 3 CO + 4 H O ) Oxydatio...d u métal das l air. Cu + 1 O Cu O 3) Substitutio CH 4 + Cl CH 3 Cl + HCl
3/6 4) Elimiatio C H 4 Cl C H 3 Cl + HCl 5) Additio C est l iverse d ue élimiatio. C H 4 + Cl C H 4 Cl 6) Polyadditio 7) Codesatio α H C = CHCl (-H C CHCl-) α H 3 C-COOH + HOC H 5 H 3 C-COO-C H 5 + H O 8) Polycodesatio α HOOC-R-COOH + α HOCH -R-CH OH (-OC-R-COOCH -R-CH O-) α + α H O
4/6 9) Acido-basique Elles fot iterveir deux réactifs, u acide et ue base, avec échage de protos H +. a- HCl + H O H 3 O + + Cl - b- H O + H O H 3 O + + OH - (autoprotolyse de l eau) 10) Oxydoréductio Elles fot iterveir deux réactifs, u oxydat et u réducteur, avec échage d électros. a- 3 Fe + + Al 3 Fe + Al 3+ b- combustio du sodium das le dichlore Na + Cl NaCl 11) Précipitatio C est l iverse d ue dissolutio. Des aios et des catios e solutio aqueuse, s agglomèret pour former u solide ioique, appelé précipité. Ag + aq + Cl - aq AgCl solide 5. BILAN de MATIERE d ue REACTION 5 A1 but 5 A. Résoudre u problème Résoudre u problème, cosiste à rechercher la masse m, ou le volume gazeux V gaz ou la cocetratio molaire C ou le volume V solutio, e solutio d u produit (ou d u réactif) coaissat la masse m 1, ou le volume gazeux V 1gaz ou la cocetratio molaire C 1 ou le volume V 1solutio, e solutio d u réactif (ou d u réactif). 5 A procédé Il faut d abord effectuer u bila molaire e quatité de matière (mol). Pour résoudre, o utilise ue variable x (mol), appelée avacemet de la réactio.
5/6 5 B. 1 sortes de réactios 1 «sortes» de réactios 5 C. Réactios totales (coditios stœchiométriques) 5 C1 «tous les réactifs disparaisset» a- exemple «combustio complète et totale du propae das le dioxygèe» C 3 H 8 + 5 O 3 CO + 4 H O Etat du système avacemet (C 3 H 8 ) (O ) (CO ) (H O) Etat iitial 0 1 0 0 Etat itermédiaire * x 1 - x 5 x 3 x 4 x Etat fial x max 0 0 3 4 1 - x max = 0 ; - 5 x max = 0 ; 3 = 3 x max ; 4 = 4 x max 1 = xmax ; = 3 xmax ; = 4 xmax ; 1 5 3 4 = xmax 1 = = 3 = 4 1 5 3 4 *Etat itermédiaire : - Réactif (il disparait) : o retrache à sa quatité de matière iitiale l avacemet multiplié par so coefficiet stœchiométrique de l équatio bila. - Produit (il apparait) : sa quatité de matière est égale à l avacemet multiplié par so coefficiet stœchiométrique de l équatio bila.
6/6 b- gééralisatio La relatio des proportios stœchiométriques est doée par l égalité des rapports : quatité de matière i sur coefficiet stœchiométrique ν i pour chaque composé. a A + b B + c C + d D +... A a = B b...= C c = D d... La doée d ue seule quatité de matière (réactif ou produit), permet de calculer toutes les autres. Ces écarts sot dus à : - mode opératoire iapproprié - réactio partielle - réactios cocurretes... c- coservatio de la masse (A).M(A) + (B).M(B) +... = (C).M(C) + (D).M(D) +... Exemple: C 3 H 8 + 5 O 3 CO + 4 H O 1.M(C 3 H 8 ) +.M(O ) =.M(CO ) + 3.M(H O) Elle découle de la coservatio des élémets chimiques. d- redemet d ue réactio réelle η = alculée réelle : quatité de matière réellemet obteue (mol) calculée : quatité de matière calculée e supposat la réactio totale et sas pertes (mol) e- vitesse de réactio Les catalyseurs l accroisset. Ils apparaisset pas das l équatio bila. Ils participet à la réactio, mais ils sot régéérés. f- réactios chimiques simultaées Pour des mélages le bila chimique est réalisé e faisat le bila chimique pour chaque costituat du mélage. 5 C quatre réactios sur douze ( masse m et volume gazeux V g ) 4 1 réactios m 1 m m 1 V g V 1g m V 1g V g Combustio complète du propae C 3 H 8 + 5 O 3 CO + 4 H O C 3 H 8 O CO H = = = O 1 5 3 4
7/6 Exemple 1 : Calculer la masse d eau obteue par la combustio complète de 880 g de propae. (Volume molaire das les coditios de la combustio : V m = 4 L.mol -1 ) Exemple : Calculer le volume du dioxyde de carboe dégagé pedat la combustio complète de 880 g de propae. Exemple 3 : Calculer la masse de propae cosommé pour ue cosommatio de 400 L de dioxygèe gazeux. (C 3H 8) (C 3H 8) Exemple 4 : Calculer le volume de dioxygèe utilisé quad la combustio du propae libère 1440 L de dioxyde de carboe gazeux.
5 C3 huit réactios sur douze (e solutio aqueuse : cocetratio molaire volumique C, volume solutio V s,...masse m, volume gazeux V g ) 8/6 8 1 réactios C 1, V 1s m m 1 C m 1 V s C 1, V 1s C C 1, V 1s V s C 1, V 1s V g V 1g V s V 1g C a- oxydoréductio (etre les élémets fer et alumiium) 3 Fe + + Al 3 Fe + Al 3+ 3 3 Fe Al + Fe Al = = = + 3 3 Exemple 5 : Calculer la masse d alumiium cosommé si o utilise ue solutio de volume 0, L coteat les ios fer II aq et de cocetratio molaire 10-1 mol.l -1. Exemple 6 : Calculer la cocetratio molaire des ios Al 3+ aq présets das ue solutio de volume 0, L qui a permis aussi la formatio de 1,116 g de fer. Exemple 7 : Calculer le volume d ue solutio coteat des ios fer II aq de cocetratio molaire 0,1 mol.l -1 qui a permis la formatio de 1,116 g de fer.
b- précipitatio (des ios cuivre II et des ios hydroxyde OH - ) 9/6 Cu + + OH - Cu(OH) + Cu OH Cu ( OH ) = = 1 1 Exemple 8 : Calculer la cocetratio molaire des ios hydroxyde OH - aq présets das ue solutio de volume 5 ml agissat avec ue solutio de volume 30 ml coteat des ios cuivre IIaq de cocetratio molaire 10-1 mol.l -1 pour obteir u précipité d hydroxyde de cuivre. Exemple 9 : Calculer le volume de la solutio coteat des ios cuivre II aq de cocetratio molaire 10-1 mol.l -1 agissat avec ue solutio de volume 5 ml coteat des ios hydroxyde OH - aq de cocetratio molaire 0,4 mol.l -1 pour obteir u précipité d hydroxyde de cuivre c- oxydoréductio (etre le cuivre et l acide itrique) NO - 3 + 3 Cu + 8 H + NO + 3 Cu + + 4 H O NO 3 Cu H + NO Cu HO = = = = + = 3 8 3 4 Exemple 10 : Calculer le volume gazeux d oxyde d azote NO g obteu par la réactio totale d ue - solutio de volume 0,8 L coteat des ios itrate NO 3 aq de cocetratio molaire 10-1 mol.l -1 sur du cuivre Cu s.
10/6 Exemple 11 : Calculer le volume d ue solutio coteat des ios itrate NO 3 - aq de cocetratio molaire 10-1 mol.l -1 qui par réactio totale sur du cuivre provoque u dégagemet gazeux de 0,67 L de mooxyde d azote NO g. Exercice 1 : Calculer la cocetratio molaire des ios cuivre Cu + aq présets das ue solutio de volume 0,8 L obteue e même temps qu u dégagemet gazeux de mooxyde de carboe NO g de 0,67 L. 5 C4 exercices a- équatios bila Exercices 13 : Equilibrer et doer la relatio des proportios stœchiométriques des équatios bila suivates :... C H +... O... CO +... H O 1) 8 18 ) 4... TiO +... C +... Cl... TiCl +... CO 3) 3 4... Fe O +... C... CO +... Fe 4) 4 4... H SO +... KCl... K SO +... HCl... Z OH +... H O... H O +... ZO 5) ( ) + 3 6)... CH +... O... CO + +... H O 7)... CxH y +... O... CO +... H O Exercices 14 : classer chaque équatio bila das sa famille. C H + HCl C H Cl 1) 4 5 ) 4 + + CH O CO H O 3) C4H9Cl + HI C4H9I + HCl + + 4) Ag + Z Ag + Z HNO + H O H O + NO + 5) 3 3 3 6) CH6 CH4 + H + 7) Ag + Cl AgCl
3 8) Al + O AlO3 11/6 + H O b- masses et volumes gazeux Exercice 15 : Masses et volumes gazeux, avec V m = 4 L.mol -1. Pour chaque exercice, écrire et équilibrer l équatio bila, doer la relatio des proportios stœchiométriques, puis résoudre cet exercice. 1) Quelle masse de dioxyde de carboe obtiet-o e faisat brûler,4 g de coke? Fabricatio du coke : Par pyrogéatio * (chauffage à température élevée 100 C), du charbo aturel o obtiet : - des gaz (dihydrogèe H, méthae CH 4, mooxyde de carboe CO, dioxyde de carboe CO, diazote N...). - des liquides (bezèe C 6 H 6, toluèe, huiles, goudros...) utilisés das les egrais, les colorats, les médicamets, les solvats, les matières plastiques...et... - u résidu solide, le coke, excellet combustible au pouvoir calorifique très élevé ( 5 MJ.kg -1 ). 100 % de carboe, il est utilisé pour le chauffage, das les fours à chaux, e sidérurgie... * : du grec «puros», feu. Pyrogravure, pyromae, pyrotechie... Pyrolyse (décompositio par la chaleur)... (e chauffat du bois à l abri de l air o obtiet des gaz, des liquides et du charbo de bois) ) Par combustio d u ruba de magésium Mg s das u excès de dioxygèe, il se forme g d oxyde de magésium MgO s (ou magésie). Quelle est la masse du ruba de magésium?
1/6 3) Four à chaux Il foctioe pedat plusieurs aées sas iterruptio. La chaux est coue 3000 as avat J.C. La décompositio par la chaleur (obteue par compositio du coke) du carboate de calcium CaCO 3aq doe de l oxyde de calcium CaO s (chaux vive) et du dioxyde de carboe CO g. Par actio de l eau sur la chaux vive o obtiet de la chaux éteite Ca(OH) s. a- Quelle masse de chaux vive et quelle masse de chaux éteite obtiet-o à partir de 1000 g de carboate de calcium? Das l idustrie o utilise de la roche calcaire e refermat que 90 % de carboate de calcium. b- Quelle masse de chaux vive obtiet-o à partir d ue toe de cette roche? c- Citer des utilisatios de la chaux. 4) L alumiium Al s e poudre brûle das le dioxyde de carboe CO g e doat ue poudre blache d oxyde d alumiium Al O 3s (ou alumie) et ue fumée oire costituée de particules de carboe C s. Quelle masse de carboe obtiet-o e faisat brûler 0,1 mol d alumiium? 5) Par actio du dioxyde de soufre SO g avec le sulfure de dihydrogèe H S g, o obtiet de l eau H O g et du soufre S s. (souffrir pred f). A partir de 1 g de dioxyde de soufre calculer la masse de soufre obteue et le volume de sulfure de dihydrogèe utilisé. 6) Le dioxyde de soufre SO g peut être préparé par réactio etre le sulfure de fer II, FeS s, et le dioxygèe O. Il se forme e même temps de l oxyde de fer III, Fe O 3s. O fabrique 150 L de dioxyde de soufre. a- Quelle masse d oxyde de fer est obteue e même temps? b- Quel volume de dioxygèe a-t-o utilisé?
7) U mélage de masse totale m = 1,5 g cotiet de l oxyde de cuivre I, Cu O s, et de l oxyde de 13/6 cuivre II, CuO s ( 1 3 de Cu O et 3 de CuO). Par actio du dihydrogèe ces oxydes doet de l eau et du cuivre. Calculer la masse de cuivre obteu. c- solutios aqueuses Exercices 16 : (e solutio aqueuse, m, V gazeux, V solutio et C) Pour chaque exercice, écrire et équilibrer l équatio bila, doer la relatio des proportios stœchiométriques, puis résoudre cet exercice. 1) Ue solutio d acide chlorhydrique (H 3 O + aq + Cl - aq) eutralise ue solutio basique (Na + aq + OH - aq). Les ios chlorure Cl - aq et sodium Na + aq état «spectateurs» restet e solutio, seuls les ios hydroium H 3 O + aq et hydroxyde OH - aq réagisset, ils se eutraliset : + H3O + OH H O (iverse de l autoprotolyse) Sachat qu o utilise 50 ml d ue solutio acide de cocetratio molaire 10-1 mol.l -1, quel volume basique de cocetratio molaire 5.10 - mol.l -1 faut-il utiliser à l «équivalece»? ) Ue solutio oxydate de dichromate de potassium ( K + - aq + Cr O 7 aq ) oxyde ue solutio réductrice de sulfate de fer (Fe + - aq + SO 4 aq ) e milieu acide selo le bila : 3 3 CrO 7 + 6Fe + + 14H + Cr + + 6Fe + + 7H O Les ios potassium K + - aq et sulfate SO 4 aq itervieet pas, ils restet «spectateurs». a- Sachat qu o utilise 5 ml d ue solutio oxydate de cocetratio molaire.10-1 mol.l -1, quel volume de solutio réductrice de cocetratio molaire 1.10 - mol.l -1 faut-il utiliser à l «équivalece»? b- Quelle est la cocetratio molaire des ios hydrogèe H + aq dot o utilise 0,5 ml? 3) Das 100 ml d eau o itroduit 10 ml de chlorure d hydrogèe gazeux HCl g. Le volume de la solutio d acide chlorhydrique (H 3 O + aq + Cl - aq ) obteue est de...100 ml. + HCl + HO H3O + Cl Calculer la cocetratio molaire des ios hydroium H 3 O + aq et chlorure Cl - aq? 4) la réactio etre 100 ml d ue solutio d acide chlorhydrique (H 3 O + aq + Cl - aq) de cocetratio molaire 10-1 mol.l -1 sur de la limaille de fer e excès a pour bila : + + H3O + Fe H + Fe + H O a- Quelle mase de fer peut se trasformer e ios fer II, Fe + aq? b- Quel est le volume de dihydrogèe H g obteu? 5) Le carboate de calcium CaCO 3s composat des roches calcaires est attaqué par l acide selo la réactio : CaCO3 + H3O + Ca + + CO + H O Sachat qu ue roche reçoit...das ue régio doée...e moyee 1500 L de pluies acides de cocetratio molaire H3O + =10-5,1 mol.l -1, par a. Calculer la masse de roche décomposée.
14/6 5 D. Réactios totales avec réactif limitat (coditios o stœchiométriques) 5 D1 haut-foureau : fabricatio du fer Le coke brûle e doat du mooxyde de carboe CO, qui réduit les mierais de fer. Diazote Mooxyde de carboe Dioxyde de carboe Fodat : Calcaire ou argile pour abaisser la température de fusio. cotiet du dioxygèe écessaire à la combustio du coke Laitier : Fodat combié à la gague des déchets, utilisé pour fabriquer cimets, agglomérés... cotiet du coke (à5%) o brûlé, combié avec le fer puis affiée e acier. (<1,8% Cacboe) Exercice 17 : Equatio squelette du bila de la réactio qui se produit das le haut-foureau :... C +... FeO3... Fe +... CO 1) Equilibrer la réactio? ) Après avoir complété le tableau molaire et appliqué la relatio des proportios stœchiométriques, motrer qu e utilisat 6 mol de coke C s et 4 mol d oxyde de fer Fe O 3s, la réactio est totale. E déduire les quatités des produits obteus das ces coditios stœchiométriques. Etat du système avacemet c FeO 3 Fe CO Etat iitial 0 6 mol 4 mol 0 0 Etat itermédiaire x Etat fial x max
3) O charge u haut-foureau avec 30 kg de coke C s et 10 3 kg de mierai de fer dot la teeur massique e oxyde de fer Fe O 3s est 0 %. a- Calculer les quatités de coke et d oxyde de fer présets avat la réactio. b- Pour savoir si u des réactifs est e excès, o calcule u avacemet correspodat à la disparitio totale de chaque réactif e complétat le tableau molaire : Etat du système avacemet c FeO 3 Fe Etat iitial 0,5.10 3 mol 1,5.10 3 mol 0 0 Etat itermédiaire x,5.10 3 3x 1,5.10 3 x 4x 3x Etat fial x max,5.10 3 3x 1 1,5.10 3 x 1,5.10 3 x = 0 x 0,65.10 3 mol,5.10 3 3x 1 = 0 x 1 0,833.10 3 mol La plus petite valeur de l avacemet doe le réactif limitat : x < x 1 Le réactif limitat est l oxyde de fer, le coke est e excès. O écrit l état fial e preat pour x max : x. Etat du système avacemet c FeO 3 Fe Etat iitial 0,5.10 3 mol 1,5.10 3 mol 0 0 Etat itermédiaire x,5.10 3 3x 1,5.10 3 x 4x 3x Etat fial x max,5.10 3 3x 1,5.10 3 x 4x 3x c- E déduire la masse de fer, la masse de dioxyde de carboe et le volume gazeux de dioxyde de carboe obteus, aisi que la masse de coke qui a pas réagi. (V m = 4 L.mol -1 ) d- Vérifier le résultat e appliquat l équatio de coservatio de la masse. masse réactifs = masse produits + masse réactif «restat» 5 D précipitatio C. M C +. M = 4x. M Fe + 3x. M FeO3 FeO3 a- mise e évidece CO.+ ( C 3x ). M C CO CO 15/6 Des catios et des aios s agglomèret pour former u solide ioique (précipité). b- solubilité La solubilité das l eau est limitée : Exemple à 5 C : - chlorure de sodium NaCl s : 360 g.l-1 - itrate d arget AgNO 3s : 80 g.l -1 - itrate de sodium NaNO 3s : 880 g.l -1 - chlorure d arget AgCl s : 0,0015 g.l -1
c- produit de solubilité Chaque composé ioique possède u produit de solubilité K s. Exemple à 5 C : - chlorure d arget AgCl s 5 1 Ag + = Cl = 10 mol. L, e solutio aqueuse saturée. + 10 K s = Ag. Cl = 10 (le chlorure d arget précipité blac est quasimet isoluble) soit [ AgCl ] = 16/6 Autres exemples : - sulfate de baryum BaSO 4s : 0,003 g.l -1 + 10, Ks = Ba. SO 4 = 10 - carboate de calcium CaCO 3s : 0,0078 g.l -1, Ks = Ca. CO 3 = 5.10 - hydroxyde de fer II Fe(OH) s : 0,0005 g.l -1, + 9 + 16 Ks = Fe. OH = 8.10 d- applicatios - matières de charge (blache) e peiture : CaCO 3s, BaSO 4s... - pigmets colorés : bleu de Prusse Fe 4 Fe (CN) 3s...
17/6 Décatatio BaSO4 Fe4Fe(CN)6 AgCl AgCl oircit à la lumière (les sels d arget sot utilisésdas les pellicules photos)
Exercice 18 : O mélage 100 ml d ue solutio de chlorure de baryum (Ba + aq + Cl - aq) de cocetratio molaire 10-1 mol.l -1 avec 150 ml d ue solutio de sulfate de sodium (Na + aq + SO 4 - aq ) de cocetratio molaire 8.10 - mol.l -1. 1) Calculer, pour chaque solutio la cocetratio molaire de chaque io préset (o églige les ios H 3 O + aq et OH - aq. Il se forme u précipité blac de sulfate de baryum BaSO 4s. ) Ecrire l équatio bila de cette réactio de précipitatio. 3) Etablir le tableau molaire et vérifier qu u des réactifs est e excès. 4) Calculer la masse du précipité obteu. 5) Calculer la cocetratio molaire de chaque io restat das la solutio fiale, puis vérifier l électroeutralité pour le mélage fial. 5 E. Bila chimique pour ue successio de réactios... (...totales das les proportios stœchiométriques) - O écrit ue équatio bila pour chaque étape. - L état fial du premier bila sert à réaliser l état iitial du secod bila. - L état fial du secod bila sert à réaliser l état iitial du troisième bila. Exercice 19 : sythèse de l acide itrique (eau forte) Première étape : par actio du diazote avec le dihydrogèe o obtiet de l ammoiac. N (g) + 3 H (g) = NH 3(g) Etat du système avacemet N H NH 3 Etat iitial 0 1 0 Etat itermédiaire x 1 - x - 3x x Etat fial x 1max 0 0 3 18/6 3 x1max = 1 = = 3 Redemet : η 1 Deuxième étape : par oxydatio de l ammoiac gazeux NH 3 o obtiet du mooxyde d azote NO. Etat du système NH 3(g) + 5 O (g) = NO (g) + 3 H O (g) avacemet NH 3 O NO HO Etat iitial 0 3 4 0 0 Etat itermédiaire x 3 x 4-5 x x 3x Etat fial x max 0 0 5 6 3 4 5 6 x max = = = = 5 3 Redemet : η Troisième étape : le mooxyde d azote est esuite oxydé e dioxyde d azote NO. NO (g) + 1 O (g) = NO (g) Etat du système avacemet NO O Etat iitial 0 5 7 0 Etat itermédiaire x 5 - x 7-1 x Etat fial x 3max 0 0 8 NO x
19/6 7 x3max = 5 = = 8 1 Redemet : η 3 Quatrième étape : le dioxyde d azote réagit esuite avec l eau pour former l acide itrique HNO 3 et du mooxyde d azote. 3 NO (g) + H O (l) = NO (g) + HNO 3(l) Etat du système avacemet NO HO NO HNO 3 Etat iitial 0 8 9 0 0 Etat itermédiaire x 8 3x 9 - x x x Etat fial x 4max 0 0 10 11 x = = = = 3 Redemet : η 4 8 11 4max 9 10 Redemet total : η = η 1.η.η 3.η 4 ηtotal = Π ηi O supposera que les gaz sot pris à θ = 0 C et sous ue pressio de 1000 hpa. L air cotiet 80 % de so volume e diazote. 1) Calculer le volume «théorique» de diazote écessaire pour produire ue toe d acide itrique. ) Calculer le volume «réel», si le redemet total des quatre réactios est η = 80 %. 3) Le diazote est pris das l air, e déduire le volume d air écessaire à cette sythèse. 4) Calculer les volumes de dihydrogèe et de dioxygèe utilisé pour l esemble des réactios. Exercice 0: sythèse du polychlorure de viyle (PVC). Première étape : l éthèe C H 4g réagit avec le chlorure d hydrogèe HCl g et du dioxygèe O g du 1,- dichloroéthae C H 4 Cl l et de l eau H O l. Deuxième étape : par pyrolyse, le dichloroéthae doe du chloroéthèe (chlorure de viyle) C 3 H 3 Cll et du chlorure d hydrogèe. Troisième étape : par polyadditio de α molécules de chloroéthèe, o obtiet du PVC : ( C H 3 Cl) α 1) Ecrire les équatios bila de chaque étape. ) Compléter les 3 tableaux molaires et établir les 3 relatios de proportios stœchiométriques. Etat du système avacemet CH 4 HCl O CH4Cl Etat iitial 0 1 3 0 0 Etat itermédiaire Etat fial x x 1max Etat du système avacemet CH4Cl CH3Cl HCl Etat iitial 0 0 Etat itermédiaire x Etat fial Etat du système x max avacemet i CH3Cl ( C H 3 Cl ) α Etat iitial 0 0 Etat itermédiaire x Etat fial x 3max 3) Quelle masse d éthèe doit-o utiliser pour obteir ue masse de 100 kg de PVC? HO
0/6 6. Extraits de sujets BTS - 60 - Acide - Base Chimie Orgaique Oxydat - Réducteur 6 A. ACIDE BASE (15) L équatio bila qui traduit la réactio de eutralisatio d ue solutio acide (coteat l io hydroium H 3 O +, appelé ecore io oxoium) par ue solutio basique (coteat l io hydroxyde OH - ) se résume aisi : + H3O + OH H O Cette réactio est souvet réalisé au cours d u dosage, à l équivalece. tp 199, eb 1997, eec 003, af 007 (AB) O prélève u volume V B = 10 ml d ue solutio basique d hydroxyde de sodium que l o dose avec ue solutio d acide chlorhydrique de cocetratio molaire C A = 1.10 - mol.l -1. L équivalece est obteue pour u volume d acide versé V A = 19,9 ml. ) Calculer la cocetratio molaire C B de la solutio basique. eec 1997, tp 1997, af 000, af 00, b 00, tp 00, b 003, eb 006, tp 008 (AB) O prélève das u bécher 0 ml d ue solutio acide que l o dose avec ue solutio basique d hydroxyde de sodium (ou soude) de cocetratio molaire 5.10 - mol.l -1. 3) Calculer la cocetratio molaire de la solutio acide, sachat qu à l équivalece o a versé 17,6 ml de solutio basique. tp 005 (AB) O cosidère deux récipiets A et B. Le récipiet A cotiet u volume V A d ue solutio aqueuse d acide chlorhydrique (H 3 O + aq + Cl - aq) de cocetratio molaire C A. Le récipiet B cotiet u volume V B d ue solutio aqueuse d hydroxyde de sodium (K + aq + OH - aq) de cocetratio molaire C B. 1) a- Rappeler la défiitio de la cocetratio molaire. b- Calculer la quatité de matière A d ios oxoium H 3 O + coteus das le récipiet A quad : V A = 0,60 L et C A = 0,50 mol.l -1 c- Calculer la quatité de matière B d ios hydroxyde OH - coteus das le récipiet B quad : V B = 0,80 L et C B = 1,30 mol.l -1 O mélage maiteat les coteus de ces deux récipiets. + 3) Sachat que les ios oxoium et hydroxyde se eutraliset selo la réactio: H3O + OH H O : a- Motrer que les ios hydroxyde sot e excès. b- Calculer la cocetratio molaire des ios hydroxyde restats das le mélage. E déduire le ph du mélage. eec 007 (AB) O utilise ue cuve cylidrique (diamètre : 1,40 m ; hauteur :,10 m) pour recueillir les eaux acides de ruissellemet de ph = 4,6. Le taux de remplissage est de 80 %. ) a- Cette eau est-elle acide ou basique? Justifier. b- Calculer la cocetratio molaire des ios oxoium H 3 O +. Pour eutraliser l eau de la cuve coteat des ios H 3 O + o lui ajoute u volume V de solutio d hydroxyde de sodium (soude) basique coteat des ios OH - de cocetratio molaire 0,1 mol.l -1. 3) c- Calculer le volume de soude à prévoir.
1/6 6 B. CHIMIE ORGANIQUE (33) b 1990, af 000 (CO) 3) La fabricatio de ce moomère (styrèe : C 8 H 8 ) peut se résumer par l équatio bila suivate : C6H 6 + CH5Cl C8H 8 + HCl + H Quelle masse de styrèe C 8 H 8 peut-o obteir e utilisat ue toe de bezèe C 6 H 6 sachat que le redemet de cette réactio est de 90 %? b 1994, tp 1991, eec 1993, eb 1998, b 006, eb 006 (CO) 1) Le PVC, ou polychlorure de viyle se prépare e trois étapes : Première étape : l éthèe C H 4 réagit avec du chlorure d hydrogèe et du dioxygèe pour doer du 1,-dichloroéthae C H 4 Cl et de l eau. a-ecrire l équatio bila de cette réactio. Deuxième étape : par pyrolyse, le 1,-dichloroéthae doe du chloroéthèe (ou chlorure de viyle) CH = CHCl (C H 3 Cl) et du chlorure d hydrogèe. b- Ecrire l équatio bila de cette réactio. Troisième étape : par polyadditio du chloroéthèe, o obtiet du PVC. c- Ecrire l équatio bila das le cas où x molécules de chloroéthèe ot été polymérisées. ) Quelle masse d éthèe doit-o utiliser pour obteir ue masse m = 100 kg de PVC, sachat que le redemet de l esemble des opératios précédetes est de 70 %? 3) (e.e.c 1993) Chaque aée, e Frace, o fabrique plus de 150000 toes de bouteille à base de PVC, coteat 90 % e masse de ce polymère. La combustio du PVC produit du dioxyde de carboe, de l eau et du chlorure d hydrogèe HCl. a- Ecrire l équatio bila de la combustio complète du PVC (C x H 3x Cl x ) das le dioxygèe. b- Quelle seraiet la masse totale de chlorure d hydrogèe, aisi que le volume, libérés auellemet das l atmosphère, si toutes les bouteilles e PVC fabriquées e Frace étaiet iciérées (la moitié du chlorure d hydrogèe formé reste fixé das les cedres). (Volume molaire : V m = 5 L.mol -1 ) scbh 1994 (CO) 5) Ecrire la réactio de combustio complète de la cellulose (C 1 H 0 O 10 ) x sachat que l o obtiet uiquemet du dioxyde de carboe et de l eau. U kilogramme de cellulose subit ue combustio complète. 6) Calculer, das le cas où le volume molaire des gaz est égal à 4 L.mol -1 : a- Le volume de dioxygèe écessaire. b- Le volume d air correspodat si l air cotiet e volume u ciquième de dioxygèe. c- Le volume de dioxyde de carboe obteu. (Volume molaire : V m = 4 L.mol -1 ) eec 1996, tp 1999, tp 005 (CO) Le brûleur d u appareil de chauffage est alimeté e butae (C 4 H 10 ) avec u débit de 1,93 kg.h -1, et e air, à 18 C et 1013 hpa. O suppose le brûleur parfaitemet réglé, l air costitué de 0 % de dioxygèe e volume, et tous les corps gazeux se comportat e gaz parfaits (R = 8,31 J.mol -1.K -1, costate molaire des gaz parfaits). 1) Etablir l équatio bila de la combustio parfaite du combustible. ) Détermier, pour ue heure de foctioemet iiterrompu, la quatité de butae utilisé. 3) a- Calculer le volume molaire gazeux V m das les coditios de foctioemet. b- E déduire le volume de dioxygèe écessaire à la combustio aisi que les quatités (e moles) des produits formés au cours de cette combustio. 4) E déduire le débit miimum de l air devat alimeter ce brûleur, e m 3.h -1. tp 1996 (CO) La compositio e masse d ue essece est u mélage de 70 % d heptae C 7 H 16 et de 30 % d octae C 8 H 18.
/6 ) Ecrire les équatios bila équilibrées des réactios de combustio totale de chacu de ces deux composés. 3) Sachat que la masse volumique de cette essece est ρ = 70 kg.m -3, calculer : a- la masse de chacu des composés das u litre d essece. b- le volume de dioxygèe écessaire pour effectuer la combustio totale d u litre d essece. c- le volume d air utile à la combustio d u litre d essece, après avoir rappelé la proportio de dioxygèe das l air. b 1997 (CO) ) O admet, pour simplifier, qu ue essece est costituée d u mélage de plusieurs alcaes ayat pour formule brute C 6 H 14. Ecrire l équatio bila de combustio complète de cette essece. 3) Ue voiture cosomme e moyee 8 litres de cette essece liquide de masse volumique 750 kg.m -3 pour 100 km. b- Calculer le volume de dioxyde de carboe rejeté lors du parcours de 100 km. (Volume molaire V m = 4 L.mol-1) tp 1998 (CO) O s itéresse à la méthaogéèse : décompositio bactériologique de la matière orgaique des arbres e dioxyde de carboe et e méthae, e l absece de dioxygèe (aaérobie). La décompositio d u espace de forêt tropicale produit u dégagemet jouralier de 40 toes de méthae. 4) a- Ecrire l équatio bila de la réactio de décompositio bactériologique de la matière orgaique dot la formule est C 6 H 1 O 6. b- Calculer la masse de matière orgaique décomposée e ue jourée. c- Calculer la masse et le volume de dioxyde de carboe dégagés e ue jourée. af 1999 (CO) 3) La combustio du PVC (C 000 H 3000 Cl 1000 ) das le dioxygèe produit du dioxyde de carboe, de l eau et du chlorure d hydrogèe. a- Ecrire l équatio bila de cette combustio. b- Quelle est la masse de chlorure d hydrogèe libéré par la combustio de 1000 kg de PVC? b 1999 (CO) 4) Ecrire l équatio de combustio complète das le dioxygèe du polyéthylèe C 500 H 1000. eec 1999 (CO) Ue chaudière est alimetée e gaz aturel que l o cosidérera composé à 100 % de méthae CH 4. Le débit massique d arrivée de gaz est de 1,6 kg.h -1. Volume molaire das les coditios ormales :,4 L.mol -1. L air est costitué de 0 % de dioxygèe e volume. 1) Ecrire l équatio bila de la combustio complète du méthae. ) Pour ue heure de foctioemet de la chaudière, et pour la combustio complète du méthae, calculer : a- La quatité de méthae. b- La masse écessaire de dioxygèe. c- Le volume écessaire de dioxygèe. d- Le volume d air écessaire. eb 000 (CO) 3) Doer l équatio de combustio complète das l air du polystyrèe C 16000 H 16000. 4) Calculer la masse de dioxyde de carboe dégagé par la combustio de 5, kg de polystyrèe e supposat qu il est pur. eec 001 (CO) O étudie l émissio de dioxyde de carboe au cours de la combustio de quelques hydrocarbures, les
3/6 alcaes CH 4 et C 8 H 18. Doées : Volume molaire ormal : V 0 =,4 L.mol -1 Relatio doat la quatité de chaleur produite par la combustio d ue mole d alcae : Q = 10 + 664.p (e kj. mol -1 ), pouvoir calorifique. p : ombre d atomes de carboe das la molécule De ombreux autobus roulet «au gaz aturel». Ce carburat est pricipalemet composé de méthae CH 4 (plus de 80%). 1) a- Ecrire l équatio de la réactio de combustio complète du méthae. b- Quelle est la quatité de dioxyde de carboe (mol) dégagé lors de la combustio d ue mole de méthae? c- Détermier la quatité de méthae écessaire pour produire ue quatité de chaleur de 1000 kj. E déduire la quatité de dioxyde de carboe dégagé. d- Détermier le volume de dioxygèe miimum écessaire à la combustio complète d ue mole de méthae das les coditios ormales de température et de pressio. D autres véhicules utiliset le super carburat, l octae C 8 H 18. ) b- Ecrire l équatio de la réactio de combustio complète de l octae. c- Calculer la quatité de dioxyde de carboe dégagé lors de la productio d ue quatité de chaleur de 1000 kj. 3) Comparer les résultats des questios 1)c et )c). Evaluer la dimiutio relative du rejet de dioxyde de carboe (exprimée e %). af 00, scbh 1996, tp 006, b 008 (CO) La source de chaleur de l atelier est ue chaudière à gaz propae C 3 H 8. Etre 9 h et 17 h, pour maiteir costate la température de l atelier il faut utiliser ue éergie de 33 kwh, fourit par la combustio du propae. Le pouvoir calorifique du propae est égal à 00 kj.mol -1. 1) Ecrire l équatio bila de la combustio complète du propae. 3) Calculer : a- la quatité de propae (e mol) écessaire à l obtetio de cette éergie? b- la masse de propae correspodate. c- le volume de dioxyde de carboe dégagé à l extérieur. (Volume molaire : 5 L.mol -1 ) eb 004, scbh 008 (CO) Le chauffage de l eau d ue piscie est assuré par ue chaudière à gaz, ici du méthae CH 4, dot le pouvoir calorifique est 890 kj.mol -1. Sachat que pour chauffer l eau il a fallu 31,3875 GJ. ) Calculer la quatité de matière de méthae théorique, exprimée e moles. E réalité, le redemet du système de chauffage est de 70 %. 3) a- Calculer la masse réelle de méthae cosommée. b- Calculer le volume de méthae utilisé das des coditios. c- Ecrire l équatio de la réactio chimique du méthae avec le dioxygèe, e supposat la combustio complète. d- Calculer le volume de dioxygèe effectivemet cosommé. e- E déduire le volume d air utilisé sachat que l air cotiet 0 % de dioxygèe. eec 004 (CO) Le gaz de pétrole liquéfié (GPL) utilisé e Frace pour les voitures est e fait le mélage de deux hydrocarbures : le propae C 3 H 8 et le butae C 4 H 10. La combustio complète des hydrocarbures das le dioxygèe produit du dioxyde de carboe et de la vapeur d eau. ) Ecrire et équilibrer l équatio bila de la combustio complète pour chacu des deux hydrocarbures
qui costituet le GPL. Ue voiture a ue cosommatio moyee de 10,5 L de GPL (liquide) aux 100 km. La masse volumique du GPL liquide est de 0,56 kg.l -1. O cosidère que le GPL est costitué, e masse, de 50 % de propae et de 50 % de butae. 3) Calculer pour u kilomètre parcouru et pour chacu de ces deux hydrocarbures : a- La masse utilisée. b- La quatité de matière utilisée. c- La quatité de dioxyde de carboe produit. La même voiture foctioat à l essece a ue cosommatio de 8,5 L aux 100 km et, pour u kilomètre parcouru, dégage das l atmosphère u volume de dioxyde de carboe de 108 L. 4) Comparer la pollutio au dioxyde de carboe produite par le GPL et par l essece. (Volume molaire des gaz : 4 L.mol -1 ) 4/6 b 005 (CO) Chaque aée, o brûle das le mode,0.10 9 toes de méthae (costituat majoritaire du gaz aturel), hydrocarbure de la famille des alcaes de formule brute CH 4. La combustio complète du méthae cosomme du dioxygèe O et produit de l eau H O et du dioxyde de carboe CO. O se propose de détermier la masse de dioxyde de carboe auellemet produite par la combustio de cet hydrocarbure. Le dioxyde de carboe produit augmete l effet de serre. 1) Calculer la quatité de matière (e moles) de gaz aturel cosommé par a. ) Ecrire et équilibrer l équatio bila associée à cette combustio. 3) Quel est la masse de dioxyde de carboe produite par cette combustio. 4) Quel est le volume occupé das les coditios ormales température et de pressio par le dioxyde de carboe? (Coditios ormales : θ = 0 C et P = 1,013.10 5 Pa avec R = 8,3 SI) b 006 (CO) Le dichlore gazeux est obteu par la réactio d électrolyse suivate : NaCl + HO NaOH + Cl + H 1) Das cette réactio désiger les réactifs et les produits e idiquat leurs oms. ) Quelle masse de NaCl est écessaire pour produire 4 litres de dichlore gazeux qui se dégage à l aode. (Volume molaire das les coditios de l expériece : 4 L.mol -1 ) eec 006 (CO) Trete éoliees arrivet e pièces détachées par bateau. Celui-ci cosomme eviro 10 toes de diésel (dodécae : C 1 H 6 ) par jour. Pour atteidre l île, il doit parcourir la distace de 3000 km à ue moyee de 0 œuds. 1) Motrer que le bateau cosomme 33,8 toes de diésel pour achemier tout le matériel sur l île. 3) Détermier la quatité de matière de diésel cosommée sur ce parcours. 4) Ecrire la réactio équilibrée de combustio complète de ce composé. 5) Calculer le volume de dioxygèe, mesuré das les coditios ordiaires, écessaire pour effectuer la combustio totale de 1,0 litre de diésel. O veut évaluer l impact de la pollutio par le dioxyde de carboe sur l eviroemet. 6) Détermier la masse de dioxyde de carboe CO rejetée lors du trajet du cargo et préciser à quel phéomèe cotribue le rejet de CO. Doées : Volume molaire des gaz das les coditios ordiaires : 4, L.mol -1 Masse volumique du diésel : 80 g.l -1 U œud équivaut à 185 m.h -1. eb 008 (CO) La destructio par combustio complète d ue masse m = 35 kg de ce polyéthylèe (C 500 H 5000 )
5/6 das le dioxygèe de l air, dégage du gaz carboique et de l eau : 5) a- Ecrire l équatio de combustio complète de ce polyéthylèe (C 500 H 5000 ) das le dioxygèe. b- Calculer la quatité de matière (le ombre de moles) de polyéthylèe utilisé. c- Trouver le volume de gaz carboique dégagé par cette combustio. Justifier. Doée : Volume molaire das les coditios de l expériece :V m = 4 L.mol -1. 6 C. OXYDANT REDUCTEUR (8) b 1991 (OR) 3) Ue usie chimique rejette, par jour, u volume V = 100 m 3 d effluets liquides dot la teeur e ios dichromate Cr O - 7 est χ = 1,6 mg.l -1. Quelle masse m de dioxyde de soufre SO faut-il utiliser quotidieemet pour trasformer totalemet les ios dichromate e ios chrome Cr 3+? 3 Equatio bila : Cr O + 3SO + H + Cr + + 3SO + H O 7 4 eec 1995 (OR) U bassi de récupératio des eaux d ue usie est u cylidre de diamètre d = 50 m et de hauteur H = 5 m. Ses eaux cotieet l io mercure II (Hg + ) à raiso de 5 g.m -3. Pour élimier ces ios, o brasse l eau avec de la poudre de fer. + + L équatio bila est la suivate : Hg + Fe Hg + Fe ) c-quelle masse de fer faut-il utiliser? tp 1995 (OR) La cocetratio massique e soufre das le gazole (fuel domestique) doit être iférieure à 0,3 %. O brûle 100 g de gazole e recueillat les gaz de combustio. Tout le soufre est oxydé e dioxyde de soufre SO : ( S + O SO ). Le gaz obteu, SO, est dissout das 500 ml d eau (solutio S). O prélève 10,0 ml de cette solutio S que l o dose avec ue solutio de permagaate de potassium (K + + MO - 4 ) de cocetratio molaire C = 5,00.10-3 mol.l -1. A l équivalece (réactio totale), o a versé le volume V = 1,5 ml de solutio de permagaate. O cosidère que seul SO est aisi dosé, selo l équatio bila : + + MO4 + 5SO + HO M + 5SO4 + 4H 3) Doer la relatio etre la quatité e mol pour (SO ) et (MO - 4 ) à l équivalece. 4) Calculer (MO - 4 ) à l équivalece. 5) Calculer (SO ), quatité de SO coteue das 10 ml de solutio S. 6) E déduire la quatité de dioxyde de soufre (SO ) coteues das 500 ml de solutio S. 7) Calculer la masse de soufre coteue das 100 g de gazole. La cocetratio massique calculée est-elle coforme à la législatio? Pourquoi cette teeur e soufre est-elle limitée? af 006, eb 1996, b 004 (OR) La meuiserie de la vérada est choisie e alumiium pour des raisos d etretie. Au cotact de l air e présece d eau, l alumiium s oxyde le plus souvet e hydroxyde d alumiium. 1) Compléter par les coefficiets stœchiométriques maquats l équatio de l oxydatio de l alumiium das l air :... Al +... O + 6H O 4Al OH ( ) 3 ) Calculer la masse d alumiium trasformée lors de la formatio de 500 g d hydroxyde d alumiium. 3) «questios supplémetaires» : Calculer la masse d eau, le volume de dioxygèe, aisi que le volume d air cosommés. (volume molaire :,4 L.mol -1 )
6/6 eb 005 : 3) Ue masse m = 100 g d alumiium a réagi avec le dioxygèe de l air et l eau pour former de l hydroxyde d alumiium, calculer la masse de ce derier formée. eb 007 (OR) La carcasse métallique etourat la pompe est e fote (alliage à base de fer). La masse iitiale de fer coteue das la carcasse est m 0 = 3,0 kg. Lors d ue visite d etretie, o a costaté qu au bout de six mois, sa masse avait dimiué de 9 % du fait de la corrosio das l eau de mer. Fe + O + H O Fe OH L équatio bila de la réactio de corrosio est : ( ) 1) d- Calculer la quatité de matière (e mol) de fer ayat été corrodé e six mois. e- E déduire la masse de dioxygèe dissous das l eau de mer ayat alors réagi. 6 D. DIVERS (4) tp 1994 Précipité. L aalyse de l eau d u puits a doé comme résultats : - ios chlorure Cl - : 0 mg.l -1 - ios sulfate SO - 4 : 70 mg.l -1 - ios phosphate PO 3-4 : 0,1 mg.l -1 ph = 8 ) Calculer e mol.l -1, les cocetratios molaires de ces ios, aisi que celles des ios H 3 O + et OH -. O désire effectuer le dosage des ios Cl - avec ue solutio de itrate d arget (Ag + + NO - 3 ). + O obtiet u précipité de chlorure d arget : Ag + Cl AgCl O utilise ue solutio de itrate d arget telle que Ag + = 1,0.10-3 mol.l -1. 3) Calculer le volume de solutio écessaire pour précipiter tous les ios Cl - coteus das 50 cm 3 de cette eau. af 001 Fabricatio du sulfate de baryum, matière de charge e peiture. Celui-ci est obteu par réactio de précipitatio etre ue solutio de chlorure de baryum (Ba + + Cl - ) et ue solutio de sulfate de sodium (Na + +.SO 4 - ). ) Sachat que le produit de solubilité du sulfate de baryum est K s = 10-10, motrer qu e mélageat 1 m 3 de chaque solutios A de cocetratio molaire 0,144 mol.l -1, o obtiet u précipité de sulfate de baryum BaSO 4. Ecrire l équatio bila de cette réactio (les ios chlorure Cl - et sodium Na + restet e solutio). 3) Quelle masse de précipité obtiet-o e mélageat 1 m 3 de solutio A et 1 m 3 de solutio B? af 001 Pollutio par le dioxyde de soufre. tp 001 Haut foureau