CHIMIE TERM S REACTION TOTAE ET EQUIIBRE CHIMIQUE (CORRECTION) TP n 3a 1 BUT DU TP Voir si la réaction entre un acide et de l eau et une réaction totale ou un équilibre chimique. Hypothèse de travail (à discuter) : les acides sont les réactis limitants dans les deux études. 2 ETUDE PREIMINAIRE 1 ère transormation : Dissolution du gaz chlorure d hydrogène HCl dans l eau. Une goutte d eau suit à dissoudre tout HCl(g) contenu dans le ballon. eau monte alors en jet d eau. indicateur coloré bleu de bromothymol (BBT) passe de la couleur verte dans le cristallisoir à jaune dans le ballon. Quand le BBT est jaune la solution est acide. a solution aqueuse de chlorure d hydrogène est un acide appelé acide chlorhydrique. eau + BBT Vous disposerez d une solution (1) diluée de concentration en chlorure d hydrogène apporté C 1 = 1,0.10-2 mol. -1 2 ème transormation : Dissolution d acide éthanoïque (on dit aussi acide acétique) pur dans l eau. acide éthanoïque, incolore, se dissout bien dans l eau. a solution est également jaune avec le BBT. Vous disposerez d une solution (2) diluée de concentration en acide éthanoïque apporté C 2 = 1,0.10-2 mol. -1. 3 UTIISATION DU PH-METRE es sondes du ph-mètre sont très ragiles. Il convient donc de les manipuler avec soin. e ph-mètre utilisé a été étalonné auparavant pour mesurer un ph acide à la température des solutions. Attention de ne pas toucher à tous les boutons. Mettre le commutateur sur ON Préparation de la sonde : Sortir la sonde de la solution dans laquelle elle trempe sans l enlever de son support, la rincer à l eau distillée, la sécher délicatement au papier Joseph. Utilisation : Il suit de tremper la sonde dans un peu de la solution dont on veut mesurer le ph. Il aut que le capteur (la boule) de la sonde trempe complètement dans la solution. Il ne reste qu à noter la valeur de ph indiquée à l écran. Attention : ne pas oublier de rincer les électrodes et de les essuyer entre chaque mesure. 4 REACTION ENTRE ACIDE CHORHYDRIQUE ET EAU Vous disposez de 100,0 m d une solution (1) d acide chlorhydrique à C 1 = 1,0.10-2 mol. -1 obtenue au 2. Mesurer le ph de cette solution : ph 1 = 2,00. 1. Ecrire les demi-équations puis l équation de la réaction entre le chlorure d hydrogène et l eau. Nous plaçons le gaz HCl(g) dans l eau H 2 O(l) ; la solution obtenue est acide : elle contient des ions oxonium H 3 O + (aq). On peut donc imaginer la transormation suivante, perte de H + HCl( g) H O( l) H O ( aq) Cl ( aq) 2 3 On assiste bien dans ce cas à une gain transormation de H + acidobasique, où un proton H+ est perdu par un acide HCl(g) qui devient sa base conjuguée Cl (aq), HCl(g) = Cl (aq) + H +
capté par une base H 2 O(l) qui devient son acide conjugué H 3 O + (aq) H 2 O(l) + H + (aq) = H 3 O + (l) 2 2. Identiier les couples acidobasiques. es couples acide-base mis en jeu ici sont donc HCl(g)/Cl (aq) et H 3 O + (aq)/h 2 O(l). 3. Etablir le tableau descripti de l évolution du système. équation de la réaction HCl + H 2 O = H 3 O + + Cl état du système avancement n(hcl) n(h 2 O) n(h 3 O + ) n(cl ) état initial 0 n o état x n intermédiaire o x excès x x état x x n o x x x état inal x x n o x x x 4. En déduire l avancement imal pour 100,0 m de la solution obtenue. avancement imal est atteint à la disparition totale des réactis. eau, solvant ici, étant en grand excès, seul le chlorure d hydrogène peut être limitant, et dans ce cas, nhcl n x 0 2 3 3 x no C V mol 1 1 100,0.10 ce qui équivaut à 5. Expliquer comment vous allez déterminer l avancement inal de la réaction, puis le déterminer. état inal de la réaction est déterminé par les quantités inales de réactis restants, ou encore par les quantités inales de produits ormés. Dans le cas des transormation acido-basiques, nous avons un allié intéressant : le ph-mètre. Ce dernier permet de mesurer le ph de la solution obtenue après mélange des réactis et d y relier la concentration en ions oxonium produits par la relation H3O 10 ph Ici, nous mesurons ph = 2,00 : ainsi, 2,00 2 1 H3O 10 mol. a quantité d ions oxonium à la in de la réaction est donc n 2 3 3 H O 3 H O V 3 1 100,0.10 mol Ceci permet de conclure sur l avancement inal de la réaction d après le tableau d avancement, 3 x mol 6. Calculer le taux d avancement inal de la réaction. x 3 1,00 100% 3 x 7. Conclure sur le type de cette réaction. Réécrire, éventuellement, l équation de la réaction. e taux d avancement inal suggère que 100 % du chlorure d hydrogène présenté initialement dans l eau a réagi et s est transormé en ions oxonium et chlorure : on dit que la réaction est totale, et ceci se symbolise, dans l équation de réaction, par une lèche HCl( g) H2O( l) H3O ( aq) Cl ( aq) 8. Quelles sont les espèces en solution à l état inal? A l état inal, tout le chlorure d hydrogène HCl(g) est passé en solution aqueuse sous orme d ions : la solution contient de l eau (solvant), des ions oxonium H 3 O + (aq) et des ions chlorure Cl (aq). 9. Donner la relation entre la concentration initiale C 1 en acide de la solution et [ H 3 O + ]. o
On observe ici que C1 H3O. 3 5 REACTION ENTRE ACIDE ETHANOÏQUE ET EAU Vous disposez de 100,0 m d une solution d acide éthanoïque à C 2 = 1,0.10-2 mol. -1 obtenue au 2. Mesurer le ph de cette solution : ph 2 = 3,25. 1. Quelle est la solution la plus acide : (1) ou (2)? Comme ph 2 > ph 1, nous pouvons dire que la solution (1) est plus acide que la solution (2). 2. Quelle est la solution la plus riche en ions oxonium? a solution la plus acide est aussi la plus riche en ions oxonium [H 3 O + ] : il s agit de la solution (1). 3. Ecrire les demi-équations et l équation de la réaction entre l acide éthanoïque et l eau. Nous mettons de l acide éthanoïque pur CH 3 COOH(l) dans de l eau H 2 O(l). a solution étant acide, elle renerme des ions oxonium H 3 O + (aq) issus de la réaction entre l acide éthanoïque et l eau, perte de H + CH COOH ( l) H O( l) CH COO ( aq) H O ( aq) gain de H + On assiste bien dans ce cas à une transormation acidobasique, où un proton H+ est perdu par un acide CH 3 COOH(l) qui devient sa base conjuguée CH 3 COO (aq), CH 3 COOH(l) = CH 3 COO (aq) + H + capté par une base H 2 O(l) qui devient son acide conjugué H 3 O + (aq) H 2 O(l) + H + (aq) = H 3 O + (l) 4. Identiier les couples acidobasiques. es couples acide-base mis en jeu ici sont donc CH 3 COOH(l)/CH 3 COO (aq) et H 3 O + (aq)/h 2 O(l). 5. Etablir le tableau descripti de l évolution du système. équation de la réaction CH 3 COOH + H 2 O = CH 3 COO + H 3 O + état du système avancement n(ch 3 COOH) n(h 2 O) n(ch 3 COO ) n(h 3 O + ) état initial 0 n o état x n intermédiaire o x x x excès état x x n o x x x état inal x x n o x x x avancement imal est atteint à la disparition totale des réactis. eau, solvant ici, étant en grand excès, n CH COOH n x ce qui équivaut seul le chlorure d hydrogène peut être limitant, et dans ce cas, 3 o 0 à 2 3 3 x no C1 V1 100,0.10 mol 6. Expliquer comment vous allez déterminer l avancement inal de la réaction, puis le déterminer. état inal de la réaction est déterminé par les quantités inales de réactis restants, ou encore par les quantités inales de produits ormés. Dans le cas des transormation acido-basiques, nous avons un allié intéressant : le ph-mètre. Ce dernier permet de mesurer le ph de la solution obtenue après mélange des réactis et d y relier la concentration en ions oxonium produits par la relation
H3O 10 ph Ici, nous mesurons ph = 3,25 : ainsi, 3,25 4 1 H3O 10 5,62.10 mol. a quantité d ions oxonium à la in de la réaction est donc n 4 3 5 H O 3 H O V 3 1 5, 62.10 100,0.10 5, 62.10 mol Ceci permet de conclure sur l avancement inal de la réaction d après le tableau d avancement, 5 x 5, 62.10 mol 7. Calculer le taux d avancement inal de la réaction. 4 x 5 5, 62.10 3 x 2 5,62.10 5,62% 8. Conclure sur le type de cette réaction. Réécrire, éventuellement, l équation de la réaction. e taux d avancement inal suggère que seulement 5,62 % de l acide éthanoïque présenté initialement dans l eau a réagi et s est transormé en ions oxonium et éthanoate : on dit que la réaction est limitée, et ceci se symbolise, dans l équation de réaction, par un symbole «=» CH3COOH ( l) H2O( l) H3O ( aq) CH3COO ( aq) 9. Quelles sont les espèces en solution à l état inal? A l état inal, seule une petite proportion de CH 3 COOH(l) est passé en solution aqueuse sous orme d ions : la solution contient de l eau (solvant), des ions oxonium H 3 O + (aq) et des ions chlorure CH 3 COO (aq), certes, mais il reste de l acide éthanoïque sous la orme CH 3 COOH(aq) non dissocié en ions. a signiication du signe «=» peut être vue de la manière suivante : de l acide passe sous orme d ions, CH3COOH ( l) H2O( l) H3O ( aq) CH3COO ( aq) mais la réaction inverse H3O ( aq) CH3COO ( aq) CH3COOH ( l) H 2O( l) a lieu simultanément et contrecarre son évolution : il s instaure un équilibre entre les deux équations. On dit qu il existe au sein du système un équilibre chimique. On avait l habitude de le symboliser avec des doubles lèches, CH3COOH ( l) H2O( l) H3O ( aq) CH 3COO ( aq) 10. Donner la relation entre la concentration initiale en acide de la solution et [ H 3 O + ]. Ici, nous avons C2 H3O, conséquence du caractère limité de la réaction étudiée. 6 SENS D EVOUTION D UNE TRANSFORMATION IMITEE 6.1 1 ère expérience On ajoute une goutte d acide éthanoïque pur à la solution du 5. On mesure le ph avant et après l ajout. 1. Comment varie le ph? a concentration en ions oxonium? avancement inal? e taux d avancement inal? e ph, qui était initialement de 3,25, diminue progressivement et se stabilise à une valeur inérieure à 3,00. a solution est donc plus acide : elle contient davantage d ions oxonium, ce qui signiie que l avancement inal de la réaction est plus grand que celui rencontré au 5. De même, le taux d avancement inal augmente. ph 3,00 3 1 H3O 10 10 mol. x x H3O V mol. 4 1 4 3 x 2. Interpréter cette variation. 1 1,00.10 10,0 % 5,62 %
augmentation du taux d avancement inal signiie que davantage d acide s est dissocié sous orme d ions : 5 on dit qu on a déplacé l équilibre dans le sens direct, ce qu on peut symboliser par CH COOH ( l) H O( l) H O ( aq) CH COO ( aq) 6.2 2 ème expérience On ajoute quelques cristaux d éthanoate de sodium solide à la solution du 5. On mesure le ph avant et après l ajout. 1. Comment varie le ph? a concentration en ions oxonium? avancement inal? e taux d avancement inal? e ph, qui était initialement de 3,25, diminue progressivement et se stabilise à une valeur supérieure à 4,00. a solution est donc moins acide : elle contient moins d ions oxonium, ce qui signiie que l avancement inal de la réaction est plus aible que celui rencontré au 5. De même, le taux d avancement inal diminue. ph 4,00 4 1 H3O 10 10 mol. x x H3O V mol. 5 1 5 3 x 2 1,00.10 1,00 % 5,62 % 2. Interpréter cette variation. a diminution du taux d avancement inal signiie que moins d acide s est dissocié sous orme d ions : on dit qu on a déplacé l équilibre dans le sens indirect, ce qu on peut symboliser par CH COOH ( l) H O( l) H O ( aq) CH COO ( aq) 6.3 Conclusion Conclure sur le sens d évolution d une transormation limitée. Une transormation limitée est une transormation à l issue de laquelle le ou les réactis ne se transorment pas entièrement : dans l état inal, s il s est ormé des produits dans le respect des proportions stoechiométriques de la réaction correspondant, il reste cependant de ces réactis. Un système chimique où a lieu une transormation limitée peut être interprétée comme le siège d un équilibre chimique en ce sens où la transormation est modélisée par une équation chimique pouvant être lue dans les deux sens : direct (de gauche à droite) et indirect. Si la réaction se produit dans le sens direct et orme des produits nouveaux, ces produits nouveaux réagissent eux aussi pour redonner, dans une certaine proportion, les réactis initiaux : il s établit un équilibre entre les deux sens d évolution. Cet équilibre est, comme nous le verrons, habituellement prévisible à l aide de constantes de réaction. On a coutume d indiquer la présence d un équilibre dans l équation réactionnelle à l aide du symbole «=». Dans ce cadre, on peut voir les réaction totales comme des équilibres complètement déplacés dans le sens de la transormation dite totale, la réaction inverse (sens indirect) n ayant pratiquement pas lieu. Si le symbole «=» peut concerner toutes les transormations, celles-ci étant des équilibres particuliers, on a coutume d utiliser le symbole indiquant le sens dans lequel l équilibre est déplacé, i.e. le sens dans lequel la transormation s eectue maniestement. Quand on ajoute un réacti, l équilibre chimique est déplacé dans le sens direct ; quand on ajoute un produit, l équilibre est déplacé dans le sens inverse. De manière générale, l équilibre se déplace dans le sens de la consommation de l espèce chimique. Ceci constitue la loi générale de modération de l équilibre chimique et porte le nom de principe de e Chatelier (1884).