2 FORMULES, EQUATIONS ET STOECHIOMETRIE Avant de résoudre le sujet de réflexion et les applications numériques ci-dessous, les notions suivantes doivent impérativement être revues : mole ; masse molaire ; nombre d Avogadro ; réaction chimique ; équation chimique ; coefficient stœchiométrique ; rendement de réaction ; mélange homogène ; substance pure ; formule brute ; composition centésimale ; formule moléculaire ; pourcentage en masse ; concentration massique ; concentration molaire ; équivalent ; fraction molaire ; masse volumique ; densité. 2.1 Sujet de réflexion 1. a) Que représente le nombre d Avogadro? b) Comment la masse réelle d un atome peut-elle être retrouvée à partir du tableau périodique? 2.2 Applications numériques 1. Un chimiste a préparé une solution aqueuse en mélangeant 2,50 g de phosphate d ammonium trihydraté et 1,50 g de phosphate de potassium avec 500 ml d eau. a) Déterminez le nombre de moles de chaque sel. b) Combien de moles d anions phosphate trouve-t-on dans la solution? 3 c) Calculez la masse des ions PO 4 dans la solution. d) Quelle est la masse totale de l eau dans la solution? e) Combien d atomes d azote trouve-t-on dans la quantité de phosphate d ammonium mise en jeu? f) Calculez la composition centésimale du phosphate de potassium. 2. L acide citrique est une substance composée de C, H et O et de masse molaire égale à 192,0 g/mol. Lorsqu un échantillon de 0,5000 g d acide est brûlé en présence d une quantité suffisante de dioxygène, on recueille 0,6871 g de CO 2 (g) et 0,1874 g de H 2 O(l). Quelle est la formule moléculaire du composé? 3. A 10,0 ml d une solution aqueuse d hydroxyde de baryum 1,00 10 2 mol/l, sont ajoutés 10,0 ml d une solution aqueuse de chlorure d hydrogène 1,00 10 2 mol/l. Calculez la concentration de tous les ions présents dans le mélange après réaction. 15
4. Une pièce de monnaie en argent ayant une masse de 5,82 g est dissoute dans une solution aqueuse de nitrate d hydrogène selon la réaction : Ag(s) + 2 HNO 3 (aq) NO 2 (g) + AgNO 3 (aq) + H 2 O(l) Ensuite, lorsqu on ajoute une solution aqueuse de chlorure de sodium, l argent précipite sous forme de chlorure d argent. Le précipité a une masse de 7,20 g. a) Déterminez le pourcentage en masse d argent dans la pièce. b) Calculez le volume de solution aqueuse de nitrate d hydrogène 5 mol/l à utiliser pour dissoudre la pièce de monnaie. c) Quel volume de solution aqueuse de nitrate d hydrogène 34,0 % (d = 1,21) faut-il prélever pour préparer 100 ml de solution aqueuse de nitrate d hydrogène 5 mol/l? 2.3 Solutions des applications numériques 1. a) 1,23 10 2 mol ; 7,07 10 3 mol ; b) 1,94 10 2 mol ; c) 1,84 g ; d) 500,7 g ; e) 2,22 10 22 atomes ; f) 55,3 % de K, 14,6 % de P et 30,1 % de O 2. C 6 H 8 O 7 3. [H + ] ~ 0 mol/l ; [Cl ] = 5 10 3 mol/l ; [Ba 2+ ] = 5 10 3 mol/l ; [OH ] = 5 10 3 mol/l 4. a) 93,1 % ; b) 20,1 ml ; c) 76,6 ml 2.4 Travaux personnels 1. a) Quelle quantité de matière représente les échantillons suivants? - 0,800 mg de soufre (S 8 ) - 4,5 10 2 kg d oxyde de calcium (chaux vive) - 10,0 ml de tétrachlorométhane (CCl 4 ) liquide (m/v = 1,595 g/ml) - 0,800 L de diazote gazeux (conditions TPN) b) Quel est le nombre de moles de soluté dans les échantillons de solutions suivantes? - 10,0 ml de NaOH 0,20 mol/l - 25,0 ml de H 3 PO 4 0,050 mol/l 2. Quelle masse de H 2 SO 4 pur, peut-on obtenir à partir de 1 kg de pyrite de fer pure (FeS 2 )? 4 FeS 2 + 11 O 2 2 Fe 2 O 3 + 8 SO 2 2 SO 2 + O 2 2 SO 3 SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 16
3. Un composé contient 63,10 % de carbone, 11,92 % d hydrogène et 24,97 % de fluor. Déterminez la formule moléculaire de ce composé sachant que sa masse molaire vaut 76 g/mol. 4. La caféine, le composé stimulant du café et du thé, est constituée de C, H, O et N, et a une masse molaire égale à 194,0 g/mol. Lorsqu on brûle 0,376 g de caféine, on obtient 0,682 g de dioxyde de carbone, 0,174 g d eau et 0,110 g de diazote. Déterminez les formules brute et moléculaire de la caféine et écrivez l équation de sa combustion. 5. La quinine, un composé au goût amer, est l un des constituants des boissons gazeuses aux extraits de quinquina et est utilisée pour la prévention de la malaria. Lorsqu on brûle un échantillon de 0,487 g de quinine, on obtient 1,321 g de dioxyde de carbone, 0,325 g d eau et 0,042 g de diazote. La masse molaire de la quinine est 324,0 g/mol. Déterminez les formules brute et moléculaire de la quinine et écrivez l équation de sa combustion. 6. Une solution aqueuse de sulfate d hydrogène contient 138,4 g d acide dans 100 ml de solution. La masse volumique de la solution est de 1,73 g/cm 3. a) Calculez la molarité de cette solution. b) Calculez la molarité après dilution des 100 cm 3 de cette solution dans 1 L d eau distillée. La masse volumique de cette solution diluée est égale à 1,066 g/cm 3. c) Calculez les pourcentages massiques des solutions concentrée et diluée. 7. Le constituant essentiel de l essence, l octane, brûle dans un excès d air selon la réaction non équilibrée suivante : C 8 H 18 (l) + O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O(l) a) Equilibrez la réaction. b) Calculez le volume de dioxygène gazeux nécessaire pour réagir avec 2,27 g d octane sachant que la masse volumique du dioxygène dans les conditions de l expérience est de 1,43 g/l. c) Déduisez-en le volume d air nécessaire pour cette combustion. 8. On a préparé une solution aqueuse diluée de HCl en introduisant 16,6 ml d une solution aqueuse de chlorure d hydrogène concentrée à 37,0 %, de densité égale à 1,19, dans un matras de 2 L et en mettant au trait avec de l eau distillée. a) Quelle est la concentration de cette solution diluée? b) Quel volume de solution diluée (en cm 3 ) doit-on prélever pour obtenir, après une nouvelle dilution, 500 cm³ de solution 0,05 mol/l? 17
9. Calculez la masse de la solution aqueuse de chlorure d hydrogène à 15,0 % en masse qu on peut préparer en dissolvant dans l eau du chlorure d hydrogène gazeux contenu dans un récipient de 50,0 L (conditions TPN). 10. A partir d'une solution aqueuse d hydroxyde de calcium et d'une solution aqueuse de chlorure d ammonium, on souhaite préparer 15,0 g d ammoniac. a) Ecrivez l équation moléculaire et ionique de la réaction. b) Calculez les masses des réactifs et des produits. c) Combien de molécules d ammoniac a-t-on préparées? 2.5 Solutions des travaux personnels 1. a) 3,12 10 6 mol ; 8,02 10 3 mol ; 1,04 10 1 mol ; 3,57 10 2 mol b) 2,00 10 3 mol ; 1,25 10 3 mol 2. 1,63 kg 3. C 4 H 9 F 4. (C 4 H 5 ON 2 ) n avec n = 2 5. (C 10 H 12 ON) n avec n = 2 6. a) 14,1 mol/l ; b) 1,28 mol/l ; c) 80,0 % ; 11,8 % 7. b) 5,56 L ; c) 26,5 L 8. a) 0,100 mol/l ; b) 250 cm³ 9. 542 g 10. b) 32,6 g de Ca(OH) 2 ; 47,1 g de NH 4 Cl ; 48,8 g de CaCl 2 ; 15,9 g de H 2 O c) 5,30 10 23 molécules 18
2.6 Exercices de défi 1. Pour préparer une solution aqueuse très diluée, il est préférable de faire des dilutions successives d une même solution de réactif, plutôt que de peser à chaque fois une très petite masse de réactif ou de prélever un très petit volume d une solution de réserve. Une solution aqueuse est préparée en mettant 0,661 g de dichromate de potassium dans une fiole jaugée de 250 ml et en ajoutant de l eau jusqu au trait de jauge. 1,0 ml de cette solution est mis dans une fiole jaugée de 500 ml et dilué avec de l eau jusqu au trait de jauge. Ensuite, 10,0 ml de la solution diluée sont introduits dans une fiole jaugée de 250 ml et dilués avec de l eau jusqu au trait de jauge. a) Quelle est la concentration en dichromate de potassium de la solution finale? b) Quelle est la masse de dichromate de potassium dans cette solution finale? Concluez. [Réponses : a) 7,2 10 7 mol/l ; b) 5,30 10 5 g] 2. Un mélange d ilménite (FeTiO 3 ) et de sable contient 22,8 % d ilménite en masse et la première réaction est effectuée avec un rendement de 90,8 %. Si la seconde réaction est effectuée avec un rendement de 85,9 %, quelle masse de titane peut-on obtenir de 1,00 kg du mélange ilménite-sable? 2 FeTiO 3 + 7 Cl 2 + 6 C 2 TiCl 4 + 2 FeCl 3 + 6 CO (900 C) TiCl 4 + 2 Mg 2 MgCl 2 + Ti (1100 C) [Réponse : 56,1 g] 3. Les éléments X et Y forment un composé qui renferme 40 % de X et 60 % de Y en masse. La masse atomique de X est deux fois celle de Y. Quelle est la formule brute du composé? [Réponse : (XY 3 ) n ] 19