Correction du TP1 de Chimie : Grandeurs Physiques et bilan de matière But du TP : Le but du TP sera de déterminer à partir des conclusions expérimentales, l équation bilan de la réaction associée à la décomposition thermique de l hydrogénocarbonate de sodium, parmi les quatre équations proposées. On rappelle les quatre équations bilan proposées : 2 NaHCO (s) 2 NaOH (s) + H 2 O (g) (1) 2 NaHCO (s) Na 2 O (s) + 2 O 2(g) + 2 C (s) + H 2 O (g) (2) 2 NaHCO (s) Na 2 O (s) + 2 CO 2(g) + H 2 O (g) () 2 NaHCO (s) Na 2 CO (s) + CO 2(g) + H 2 O (g) (4) I) Analyse préliminaire : 1-1) A la simple lecture de ces equations, nous pouvons déjà constater que la première est incorrecte. En effet celle-ci n est pas équilibrée (des atomes d oxygène et de carbone disparaissent tandis que des atomes d hydrogène se créent), et on peut donc l éliminer. 1-2) Pour réaliser expérimentalement une décomposition thermique, il suffit simplement de chauffer le produit afin d augmenter l agitation thermique des atomes et donc de favoriser la rupture des liaisons chimiques. 1-) Liste des produits que nous savons caractériser : Parmi les produits qui se forment dans les propositions d équations bilans nous savons caractériser : Le carbone : fumée noire et dépôt de suie noire sur les parois du tube à essais. L eau : la vapeur d eau formée se liquéfie sur les parois du tube et forment de la «buée». Le dioxygène : ravive une bûchette incandescente Le dioxyde de carbone : trouble l eau de chaux 1-4) Protocole expérimental : Introduire un peu d hydrogénocarbonate de sodium solide dans un tube à essai. Et chauffer ce tube à l aide d un bec électrique. Observer les parois du tube. Puis introduire une buchette incandescente à l extrémité du tube à essai et observer. A l aide d un tube à dégagement et d un bouchon, faire barboter le gaz s échappant du tube à essai lors du chauffage, dans un autre tube contenant de l eau de chaux. Observer. Liste du matériel : Deux tubes à essai Un tube de dégagement muni d un bouchon bûchette allumettes spatule Liste des produits : Hydrogénocarbonate de sodium solide Eau de chaux Compte-rendu du TP1 de chimie : Décomposition de l hydrogénocarbonate de sodium 1
Schémas de l expérience : Tube à essais bûchette NaHCO (s) Bec électrique Précautions : Chauffage (attention aux brûlures) II) Réalisation de l expérience : 2-1) Observations de l expérience : - pas de dépôt noir ni de fumée noire la réaction ne produit pas de carbone - présence d eau liquide sur les parois du tube la réaction produit de l eau - la buchette incandescente n est pas ravivée par le dégagement gazeux La réaction ne produit pas de dioxygène. - le dégagement gazeux trouble l eau de chaux la réaction produit du dioxyde de carbone. A la vue de ces résultats expérimentaux, nous pouvons définitivement écarter l équation bilan n 2 puisque la réaction de décomposition ne produit ni carbone, ni dioxygène. Il ne reste donc plus qu à départager les deux équations () et (4). 2-2) Expérience quantitative : On reproduit l expérience de décomposition de 2,0g d hydrogénocarbonate de sodium. Une fois l état final de la transformation atteint, on mesure la masse du produit solide formé. (remarque : pour s assurer que l état final est atteint, il faut peser régulièrement le tube à essai jusqu à ce que la masse reste constante). Compte-rendu du TP1 de chimie : Décomposition de l hydrogénocarbonate de sodium 2
2-) La détermination de la masse de produit formé, va nous permettre de calculer la quantité de matière du produit solide formé lors de cette transformation. Ainsi en utilisant un tableau d avancement il nous sera possible de confronter nos résultats expérimentaux aux résultats théoriques prévus par les équations bilans proposées, et ainsi déterminer celle qui décrit réellement cette transformation. Expérimentalement on trouve une masse expérimentale qui vaut : m exp = 1, g III) Exploitation des résultats expérimentaux : -1) Bilan de matière pour l équation () : Calculons la quantité de matière initiale en hydrogénocarbonate de sodium : mnahco 2,0 2 nnahco = = = 2,4.10 mol M 2,0 + 1,0 + 12,0 + 16,0 NaHCO Etat du système 2 NaHCO (s) Na 2 O (s) + 2 CO 2(g) + H 2 O (g) Etat initial 2,4.10-2 0 0 0 Etat intermédiaire 2,4.10-2 - 2x x 2x x Etat final 2,4.10-2 2x max x max 2x max x max A l état final : 2,4.10-2 2x max = 0 donc on en déduit x max = 1,2.10-2 mol. D où le bilan de matière suivant à l état final : n NaHCO = 0 mol n Na2O = x max =1,2.10-2 mol n CO2 = 2x max = 2,4.10-2 mol n H2O = x max =1,2.10-2 mol Bilan de matière pour l équation (4) : mnahco 2,0 nnahco = = M 2,0 + 1,0 + 12,0 + 16,0 NaHCO = 2,4.10 2 mol Etat du système 2NaHCO (s) Na 2 CO (s) + CO 2(g) + H 2 O (g) Etat initial 2,4.10-2 0 0 0 Etat intermédiaire 2,4.10-2 2x x x x Etat final 2,4.10-2 2x max x max x max x max A l état final : 2,4.10-2 x max = 0 donc on en déduit x max = 2,4.10-2 mol. D où le bilan de matière suivant : n NaHCO = 0 mol n Na2CO = x max = 1,2.10-2 mol n CO2 = x max = 1,2.10-2 mol n H2O = x max = 1,2.10-2 mol Compte-rendu du TP1 de chimie : Décomposition de l hydrogénocarbonate de sodium
-2) En déduire la masse théorique de produit solide formé dans chacune des deux équations : On a m th = n M Pour l équation () on en déduit : Pour l équation (4) on en déduit : m th = n Na2O M Na2O m th = 1,2.10-2 (2 2+16) m th = 7,410-1 g m th = n Na2CO M Na2CO m th = 1,2.10-2 (2 2+12+ 16) m th = 1, g -) En comparant la valeur expérimentale trouvée (1,g) aux valeurs théoriques attendues, on en déduit que l équation qui traduit correctement la décomposition thermique de l hydrogénocarbonate de sodium est l équation (4) : 2 NaHCO (s) Na 2 CO (s) + CO 2(g) + H 2 O (g) IV) Mesure d un volume gazeux : 4-1) Calculons le volume de dioxyde de carbone qui se forme lors de cette transformation chimique : On connaît désormais l équation bilan de la décomposition de l hydrogénocarbonate de sodium : 2 NaHCO (s) Na 2 CO (s) + CO 2(g) + H 2 O (g) D après le bilan de matière établi précédemment, on a à l état final : n CO2 = 1,2.10-2 mol On en déduit le volume de dioxyde de carbone dégagé par la réaction : V CO2 = n CO2 Vm V CO2 = 1,2.10-2 24,0 V CO2 = 2,8.10-1 L = 288 ml 4-2) Expérience pour vérifier expérimentalement ce volume : Pour vérifier expérimentalement ce volume de dioxyde de carbone dégagé, il faut recueillir ce dégagement gazeux dans une éprouvette. Pour cela il faut réaliser un montage par déplacement d eau schématisé ci-dessous : Liste de matériel : Eprouvette graduée Tube de dégagement muni d un bouchon Bec électrique Cristallisoir Tube à essai NaHCO (s) Pince en bois 4-) On réalise l expérience avec une masse initiale de 1,0g en hydrogénocarbonate de sodium. Compte-rendu du TP1 de chimie : Décomposition de l hydrogénocarbonate de sodium 4
Selon le calcul réalisé à la question 4-1), si on réalise l expérience avec une masse initiale de 1,0g, on doit d attendre à obtenir un volume de CO 2 dégagé de 144 ml. Expérimentalement, on obtient une valeur légèrement inférieure à celle-ci, et cela s explique par la solubilité du dioxyde de carbone dans l eau. En effet, le CO 2 est légèrement soluble dans l eau, et une petite partie du CO 2 formé se dissout donc dans l eau. Conclusion : La mesure du volume de CO2 dégagé par la réaction, permet également de déterminer l équation qui traduit réellement la décomposition de l hydrogénocarbonate de sodium. Conclusion générale du TP : Nous venons donc de démontrer que la mesure d une grandeur physique (nous avons vu l exemple de la masse d un solide et du volume d un gaz) permet de valider la réaction associée à une transformation. Ceci démontre l importance de la mesure de grandeurs physiques en chimie. Compte-rendu du TP1 de chimie : Décomposition de l hydrogénocarbonate de sodium 5