Chimie en mode révision Les gaz L énergie
Chapitre 1 : Les propriétés physiques des gaz Les changements de phases Vitesse de diffusion (ou d effusion) Plus un gaz est léger plus sa vitesse est grande. v 1 = v 2 M M 2 1 Les manomètres Manomètre à bout fermé P gaz = h Manomètre à bout ouvert P Si P gaz Patm = P h gaz atm + P Si gaz P gaz Patm = P h atm Pression normale 760 mmhg = 101, 3kPa 1
1. Un gaz inconnu se diffuse à une vitesse de 14 ml/s dans un appareil à diffusion. Dans le même appareil et sous les mêmes conditions de température et de pression, le méthane (CH 4 ) se diffuse à 7 ml/s. Quelle est la masse molaire du gaz inconnu? 2. À une température, la vitesse de diffusion du chlore est de 45 ml/min. Trouvez la vitesse de diffusion des atomes d hélium à cette même température. 3. Quelle est la pression de chacun des manomètres suivant? = 762,7 mm Hg = 32 cm = 67 cm 2
Chapitre 2 : Le comportement des gaz Les lois simples p = 1V 1 p2v 2 V 1 V2 V = 1 V = 2 T1 T2 n1 n2 L hypothèse d Avogadro Des volumes égaux de gaz, aux mêmes conditions de température et de pression, contiennent le même nombre de particules. Données utiles 760 mmhg = 101, 3kPa T ( K ) = t( C) + 273 TPN = 101,3 kpa 0 C TAPN 101,3 kpa = 25 C 3
Chapitre 2 : Le comportement des gaz (suite) La loi générale des gaz pv 1 n T 1 1 1 = p2v n T 2 2 2 La loi des gaz parfaits pv = nrt R kpa L = 8, 31 mol K La loi des pressions partielles P T = PpA + PpB + PpC +... P = P pa T n n A T 4
1. Le volume maximal auquel on peut gonfler un ballon est de 6 L. On remplit ce ballon de 3,5 L d hélium aux conditions TAPN, puis on le relâche. Le ballon éclatera-t-il s il monte jusqu à une altitude où la pression n est plus que de 450 mm de Hg? Supposez que la température reste stable au cours de l ascension. 2. Le volume d un gaz passe de 40 L à 32,7 L sans qu il y ait de variation de température. Quelle est la pression finale exercée sur une quantité donnée de ce gaz qui était initialement à 875 mm de Hg? 3. Lorsqu il est à la température ambiante, le pneu d un vélo contient 1,5 L d air sous une pression de 350 kpa. Combien de ballons de caoutchouc de 1 L pourrait-on remplir complètement avec l air contenu dans ce pneu de vélo? Ces ballons serviront de décorations pour une fête d anniversaire qui se déroule à TAPN. 4. Un échantillon d ozone (O 3 ) est à 0 C. Si son volume double et que sa pression reste constante, quelle sera la nouvelle température du gaz en Kelvins? 5
5. Le pneu d une remorque est gonflé jusqu à un volume de 25 L à TAPN. En raison de l élasticité du pneu, le volume peut encore être augmenté de 12 % avant que le pneu n éclate. Au cours d une chaude journée d été, après avoir roulé plusieurs heures, la température du pneu peut atteindre 65 C. En supposant que la pression reste stable, le pneu éclatera-t-il à cette température? 6. Le bain à acétone est un bain-marie qui permet d atteindre une température beaucoup plus basse que celle obtenue à l aide d un bain-marie conventionnel à l eau glacée. Le bain à acétone est constitué en ajoutant de la glace sèche à de l acétone pour obtenir une température de 78 C à 101,3 kpa. Déterminez le volume d un ballon de caoutchouc placé dans ce bain si le volume du ballon à TAPN est de 8,4 L. 7. Un contenant élastique de 2,5 L renferme 1,5 mol de krypton à TPN. Lorsqu on ajoute un certain nombre de moles d argon, le volume du contenant est égal à 4,25 L. Quelle masse d argon a-t-on ajoutée dans le contenant? 6
8. Si 0,5 mol de dioxyde de soufre (SO 2 ) occupe un volume de 12,25 L à 25 C et à 101,3 kpa, quel volume occupera 4 mol de dioxyde de soufre sous les mêmes conditions? 9. Une chambre à air de caoutchouc de 6,25 L contient 2,3 mol d air. On la gonfle jusqu à un volume de 12,5 L. Combien de molécules d air a-t-on ajoutées dans la chambre à air? 10. À TPN, quel est le volume occupé par 8 g de dioxyde d azote (NO 2 )? 11. Calculez le volume qu occuperont 7,35 moles de fluor gazeux à une température de 35 C et à une pression de 98,5 kpa. 7
12. Quelle est la température en degrés Celsius de 96,7 g d hydrogène qui occupent un volume de 238700 ml à 203,1 kpa de pression? 13. Quelle sera la lecture d un manomètre relié à un réservoir de 55,5 L qui contient 32,3 moles de butane (C 4 H 10 ) gazeux à 20 C? 14. On recueille 2,4 L d oxygène par électrolyse de l eau à TPN. Combien de grammes d oxygène a-t-on récupérés? 15. Un cylindre, fermé par un piston mobile, est rempli de 3,5 L d air à 45 C et à 110 kpa. Quelle sera la température du gaz en degrés Celsius si le volume triple et que la pression est de 275 kpa? 8
16. Dans une pièce où la pression est normale et la température de 303 K, on vide une bouteille de 1,75 L d air comprimé à 298 K dans un sac extensible. On constate alors que le volume final du sac contenant l air de la bouteille est de 7,602 L. Quelle était la pression de l air comprimé dans la bouteille? 17. Un échantillon de 4 g de néon a un volume de 8,25 L à 1685 mm de Hg et à une certaine température. Quelle était la température de cet échantillon de néon si, à 219 K, il occupe un volume de 5346 ml à 136,755 kpa. 9
Chapitre 3 : Les propriétés chimiques des gaz Les calculs stoechiométriques Les calculs stoechiométriques permettent d établir précisément les quantités de réactifs nécessaires pour entraîner une réaction et de prédire les quantités de produits qui seront formés. Dans les mêmes conditions de température et de pression, les volumes gazeux respectent les proportions stoechiométriques. V Proportion V ou V n Proportion X ou X Proportion n V 10
1. Déterminez le nombre de moles de dioxyde de carbone qui peut être produit lorsque 45,89 g de propène (C 3 H 6 ) brûlent selon l équation suivante. 2 C 3 H 6(g) + 9 O 2(g) 6 CO 2(g) + 6 H 2 O (g) 2. La combustion du butane se produit selon l équation suivante. 2 C 4 H 10(g) + 13 O 2(g) 8 CO 2(g) + 10 H 2 O (g) Calculez le volume total de ces produits si 40 L de butane sont complètement brûlés en présence d un excès d oxygène. 11
3. À 435 K et à 285 kpa, quel volume d azote peut être produit par la décomposition de 8,45 kg de nitrite d ammonium (NH 4 NO 2 ) en azote et en eau selon l équation suivante. NH 4 NO 2(s) N 2(g) + 2 H 2 O (l) 4. Le lithium réagit avec l eau selon l équation suivante. 2 Li (s) + 2 H 2 O (l) 2 LiOH (aq) + H 2(g) Calculez le volume d hydrogène produit à 45 C et à 140 kpa lorsqu une masse de 23 g de lithium réagit complètement. 12
Chapitre 4 : Les réactions endothermiques et exothermiques La chaleur La chaleur se transmet naturellement d un milieu où la température est plus élevée vers un milieu ou elle moins élevée. Q = mc T Q1 = Q2 Un Q positive signifie que la substance absorbe de l énergie. Un Q négatif signifie que la substance libère cette l énergie. Réactions Endothermiques R + Q P Q = + (positif) Réactions Exothermiques R P + Q Q = - (négatif) Le diagramme d énergie potentielle 13
Chapitre 5 : La chaleur molaire de dissolution Q eau Q La calorimétrie Q = mc T RX Q eau Q mol 1mol Q mass 1g Différents types de réactions Formation Élément + Élément Composé Exemple : Mg (s) + ½ O 2(g) MgO (s) Décomposition Composé Élément + Élément Exemple : MgO (s) Mg (s) + ½ O 2(g) Dissolution Solide Aqueux Exemple : NaCl (s) NaCl (aq) Neutralisation Acide + Base Sel + Eau Exemple : HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H 2 O (l) Combustion Combustible + O 2(g) CO 2(g) + H 2 O (g) Exemple : CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) La loi de Hess Somme algébrique de plusieurs réactions. 14
1. Calculez la quantité d énergie thermique absorbée par 200 ml d eau pour passer de 18,5 C à 95 C. 2. On porte à ébullition un certain volume d eau, initialement à 15,5 C, en lui fournissant une quantité d énergie de 53 kj. Quel est le volume initial de l eau? 3. Calculez la variation d enthalpie de chacune des réactions suivantes. a) H 2(g) + Br 2(g) 2 HBr (g) + b) 2 C 2 H 2(g) + 5 O 2(g) 4 CO 2(g) + 2 H 2 O (g) 2 X + 5 X 4 X + 2 X 15
4. Tracez le diagramme d énergie potentielle des réactions du numéro précédent. a) b) 5. Le diagramme énergétique ci-dessous correspond à la réaction de chloration directe de l éthylène liquide (C 2 H 4 ) pour produire le dichloroéthane (C 2 H 4 Cl 2 ), un produit chimique qui sert à retirer des peintures et à dégraisser les métaux. On procède à la chloration de 10 g d éthylène dans une bombe calorimétrique contenant 1,5 L d eau à 20 C. Déterminez la température finale de l eau à la fin de la réaction. 16
6. Le nitrate de sodium (NaNO 3 ) est un sel utilisé pour recycler l or des composantes électroniques. Quelle est la masse de ce sel que l on doit dissoudre dans 250 ml d eau initialement à 21,5 C si on veut porter la température de l eau à 13,2 C? La dissolution d une mole de NaNO 3 absorbe 21 kj. 7. On doit neutraliser une solution d hydroxyde de sodium (NaOH) par une solution d acide sulfurique (H 2 SO 4 ). Pour s assurer que cet acide est bien du H 2 SO 4, elle dissout 5 g de l acide dans 100 ml d eau et constate que la température de l eau a augmenté de 9 C. En vous basant sur le fait que la chaleur molaire de dissolution de l acide sulfurique est de -74 kj/mol, indiquez si l on a le bon acide dans les mains. 17
8. Lors d un laboratoire, on neutralise 50 ml d une solution aqueuse d acide acétique (CH 3 COOH) à 1 mol/l avec 50 ml d une solution aqueuse d hydroxyde de sodium (NaOH) à 1 mol/l. On observe une élévation de température de 5 C. Quelle est la chaleur molaire de neutralisation de l acide acétique? 9. La neutralisation de 1,96 g d acide phosphorique (H 3 PO 4 ) par l hydroxyde de potassium (KOH) dégage 3,42 kj de chaleur. Écrivez l équation thermochimique de cette réaction de neutralisation en y intégrant la chaleur de neutralisation. 10. Déterminez l équation globale du mécanisme suivant. CaCO 3(s) Ca (s) + C (s) + 3/2 O 2(g) Mg (s) + C (s) + 3/2 O 2(g) MgCO 3(s) H = 1206,9 kj H = - 1095,8 kj 18
11. Déterminez la chaleur molaire de réaction de la réaction suivante à partir des équations données. C 2 H 5 OH (l) + 3 O 2(g) 2 CO 2(g) + 3 H 2 O (g) H =? 2 C (s) + 3 H 2(g) + 1/2 O 2(g) C 2 H 5 OH (l) H = - 235,2 kj C (s) + O 2(g) CO 2(g) H = - 393,5 kj H 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2 O (g) H = - 241,8 kj 12. Déterminez la chaleur molaire de réaction de la réaction suivante à partir des équations données. CO 2(g) + 2 SO 2(g) CS 2(l) + 3 O 2(g) C (s) + O 2(g) CO 2(g) S (s) + O 2(g) SO 2(g) C (s) + 2 S (s) CS 2(l) H = - 393,5 kj H = - 296,8 kj H = + 89,0 kj 19