TP C7 : Simulation de la réaction acido-basique

TP C7 : Simulation d'une réaction acido-basique de dosage

I/Objectif :

Il s'agit de simuler la réaction acide-base qui a été réalisée expérimentalement pendant le TP précédent (TP C6) , en visualisant :

* l'évolution du pH

* l'évolution des différentes quantités de matière (réactifs et produits)

II/Avancement maximal d'une réaction :

On considère la réaction suivante :

3 I₂ + 6 OH^- ---------> 5I^- + IO₃^- + 3H₂O

Les réactifs sont mélangés dans différentes proportions qui sont indiquées dans le tableau ci-dessous (les quantités de matière sont exprimées en mmol ):

I₂	OH^-	Réaactif en défaut	Avancement maximal	Qté et nom du réactif restant
2	1
2	2
2	3
2	4
2	5
2	6
2	7
2	8
2	9
2	10

Q1)Recopiez le tableau sur votre copie et complétez le .

Q2)Des différents mélanges de réactifs proposés , quelle est la valeur maximale de l'avancement maximal ?

Q3)Construire la courbe qui représente l'évolution de l'avancement maximal en fonction de la quantité d'ions OH^- introduite au départ ? Mettre en évidence la valeur maximale de l'avancement maximal . Qu'observez vous ?

III/Simulation :

Le logiciel utilisé (Simul_A_B) fonctionne sous Excel . On lance le logiciel par un double-click sur l'icône correspondante qui se trouve dans le répertoire Microsoft .

a)L'objet de la simulation :

On verse dans un bécher 20 mL d'une solution d'acide éthanoïque décimolaire . Une burette contient 30 mL de soude décimolaire , que l'on verse progressivement dans le bécher .

b)Le fonctionnement du logiciel :

le logiciel permet de :

* visualiser sous forme d'histogramme l'évolution des réactifs et et de l'ion éthanoate (courbe de gauche) .

Si on souhaite ne visualiser que cette courbe , cliquer sur

* visualiser l'évolution du pH en fonction du volume de soude versé (courbe de droite).

Pour visualiser cette courbe et la précédente cliquer sur

*visualiser l'évolution des différentes quantité de matière (réactifs et produit) en fonction du volume de base versé .

La simulation du dosage étant terminée , un click sur "Voir l'Avancement maximal " permet de montrer deux courbes :

* l'évolution de l'avancement maximal en fonction du volume de base versé (courbe de gauche)

* l'évolution des quantités de matière en fonction de l'avancement maximal .

La rapidité de la simulation peut être réglée en actionnant le curseur situé en haut à droite de l'écran : . Les valeurs limites sont 1000 (rapide) et 1 (lent) .

Il est possible , en cours de simulation de stoper la simulation cliquant sur le bouton "Arrêter" situé en haut à droite de l'écran . Un nouveau click sur le même bouton (dont l'intitulé est alors "RELANCER") permet de poursuivre la simulation .

c)Démarrage de la simulation :

* cliquer sur "Remplir la burette" (Il est fort possible que la souris soit alors inactive pendant quelques instants: laisser à Excel le temps d'effectuer les calculs nécessaires à la simulation ).

*Régler la "vitesse"

* cliquer sur "Titrage automatique"

IV/Evolution du pH

Q4) Ecriver l'équation-bilan de la réaction entre l'acide éthanoïque et les ions OH^- .

Q5)Rappelez la définition du pH .

Q6)Rappelez la définition de l'équivalence .

Q7)Qu'est-ce qu'une réaction totale ?

Q8)Calculer la quantité d'acide contenu dans 20 mL de la solution décimolaire d'acide éthanoïque .Quelle quantité de soude faut-il verser pour atteindre l'équivalence ? A quel volume de solution cela correspond -il avec une solution de soude décimolaire ?

Q9)Observez l'évolution de l'histogramme : Expliquez pourquoi la quantité d'ions OH^- dans le milieu réactionnel est nulle jusqu'à l'équivalence bien que l'on verse des ions OH^- dans le milieu réactionnel . La réaction entre l'acide éthanoïque et les ions OH^- est-elle totale ?

Q10)Que deviennent les ions OH^-dans le milieu réactionnel après l'équivalence .

Dans une solution aqueuse le produit [H₃O⁺}[OH^-] = K_e est constant (K_e est appelé produit ionique de l'eau et K_e = 10^-14 à 25°C) .

Q11)Quelle est la valeur du pH pour v_b = 15 mL .Calculer alors les valeurs des concentrations [H₃O⁺] et [OH^-]. Refaire les mêmes calculs au point d'équivalence E .

Q12)Quelle est la valeur du pH pour v_b = 25 mL ? Calculer :

1- les valeurs de [H₃O⁺] et [OH^-] correspondantes .

2- le volume de la solution

3- la quantité d'ions OH^- présents dans le milieu réactionnel

Comparer cette quantité à la quantité d'ions OH^- contenue dans 5 ml de soude décimolaire , ce qui correspond au volume de soude ajouté après l'équivalence .Conclure

Q13)Comment varie la quantité d'ions éthanoate après l'équivalence ? Justifiez .Comparer à la quantité initiale d'acide introduit dans le bécher .Conclure .

Q14)Quelle fonctionnalité du logiciel vous permet de retrouver certaines valeurs parmi celles calculées précedemment ? Faites les vérifications .

V/Avancement maximal :

Faites apparaître à l'écran l'état de l'avancement maximal au cours du titrage .

Q15)Recopiez les deux courbes sur votre copie .

Q16)Faites le rapprochement entre la courbe qui représente l'avancement maximal en fonction du volume de base versé et la courbe tracée à la question Q3. Quelles sont vos observations ?
Q17)Comment expliquer le comportement particulier de la courbe qui représente la quantité d'ions OH^- en fonction de l'avancement maximal à X_m = 2 10^-3 mol ?

VI/Exercice complémentaire :

Q18)On met 20 mL de soude dans le bécher et 30 mL d'acide éthanoïque dans la burette .Représentez les courbes :

* n(CH₃COOH) = f₁ (V)

* n(CH₃COO^-) = f₂ (V)

* n(OH^-) = f₃(V)

* X_m= f₄(V)

Correction :

Q1)Le tableau d'avancement relatif à la première ligne est représenté ci-dessous :

Equation chimique		3I₂ + 6OH^- -----------> 5I^- + IO₃^-
Etat du système	Avancement (mol)	Quantités de matière
Etat initial	0	2	1	0	0
En cours de trans.	X	2-3X	1-6X	5X	X
Etat final	X_{m=1/6 mmol}	1,5	0	5/6	1/6

Suivant le même principe , nous pouvons remplir les différentes lignes du tableau

I₂	OH^-	Réaactif en défaut	Avancement maximal	Qté et nom du réactif restant
2	1	OH^-	1/6	I₂ reste 1,5 mmol
2	2	OH^-	1/3	I₂ - 1 mmol
2	3	OH^-	0,5	I_{2 -}0,5 mmol
2	4	OH^-	2/3	aucun
2	5	I₂	2/3	OH^- - 1 mmol
2	6	I₂	2/3	OH^- - 2 mmol
2	7	I₂	2/3	OH^- - 3 mmol
2	8	I₂	2/3	OH^- - 4 mmol
2	9	I₂	2/3	OH^-- 5 mmol
2	10	I₂	2/3	OH^- - 6 mmol

Q2)La valeur maximale de l'avancement maximal est (X_m)_max = 2/3 mmol

Q3)

L'avancement maximal est (X_m)_max = 2/3 . L'avancement est maximal une fois que les réactifs ont été mélangés dans les proportions stoechiométriques (équivalence), c'est à dire à partir de n(OH^-)= 4 mmol.

Q4)CH₃COOH + OH^- ------> CH₃COO^- + H₂O

Q5)pH = - log [H₃O⁺] ou [H₃O⁺] = 10^-pH .

Q6)L'équivalence est atteinte lorsque les réactifs ont été mélangés dans les proportions stoechiométriques de l'équation-bilan .

Q7)Une réaction est totale lorsque le réactif limitant disparaît complètement .

Q8)n_a = C_aV_a = 0,1*20 10^-3 = 2 10^-3 mol = 2 mmol.

La réaction se faisant mole à mole , pour atteindre l'équivalence, il faut verser n_b=2 mmol de soude . Le volume correspondant est V_b= n_b/C_b = 20 mL .

Q9)L'histogramme permet de faire plusieurs observations au cours de la réaction :

* La quantité d'ions OH^- dans le milieu réactionnel reste nulle jusqu'à l'équivalence .

* il se forme autant d'ions éthanoate CH₃COO^- qu'ont réagi de molécules d'acide éthanoïque .

La quantité d'ions OH^- reste nulle jusqu'à l'équivalence , car les ions OH^- réagissent immédiatement avec l'acide éthanoïque . Cette réaction est bien totale , car tant que les ions OH^- sont en défaut ils disparaissent totalement en réagissant avec l'acide éthanoïque .

Q10)Après l'équivalence , les ions OH^- apportés ne réagissent plus (il n'y a plus d'acide éthanoïque) et ils restent par conséquent dans la solution (ils ont le comportement d'une espèce inerte).

Q11)*Pour Vb=15 mL , pH= 5,27 . [H₃O⁺] = 10^-5,27 = 5,3 10^-6 mol.L^-1 . [OH^- ] = 10^-14/5,3 10^-6 = 1,86 10^-9 moL.L^-1 .

* Pour V_b=20 ml pH=8,75 ; [H₃O⁺] = 10^-8,75 = 1,8 10^-9 mol.L^-1 . [OH^- ] = 10^-14/1,8 10^-9 = 5,62 10^-6 moL.L^-1 .

Q12)Pour V_b=25 mL pH= 12,05 et donc

1-[H₃O⁺]= 10^-12,05 =8,91 10^-13 mol.L^-1 et [OH^-]= 11,22 10^-3 mol.L^-1 .

2- V_solution = 45 mL

3- n(OH^-) = [OH^-]* V_solution= 5 10^-4 mol

5 mL d'une solution de soude décimolaire contiennent 5 10^-3 * 0,1 = 5 10^-4 mol d'ions OH^- . Les deux quantités précédentes sont donc égales .

Q13)Après l'équivalence , la quantité d'ions éthanoates reste constante et égale à 2 mmol . Après l'équivalence , il n'y a plus d'acide éthanoïque et ce dernier ne peut donc plus réagir avec les ions OH^- pour produire des ions éthanoate .

Cela correspond à la quantité d'acide éthanoïque initialement présente dans le bécher . Or d'après l'équation-bilan si 1 mol d'acide disparaît , alors 1 mole d'ions éthanoate est produite .....

Q14)Sur les courbes tracées par le logiciel , on peut notamment retrouver :

* n(CH₃COO^-) = 2 mmol une fois l'équivalence atteinte

* n(CH₃COOH) = 0 à V_b=20 ml

*n(OH^-) = 1 10^-3 mol en fin de dosage .

* valeur maximale de l'avancement maximal égale à 2 mmol.

etc ........

Q15)

Q16)Le volume de soude versé est proportionnel à la quantité d'ions OH^- . Les grandeurs relatives à l'axe des abscisses sont donc proportionnelles .L'une comme l'autre de ces deux courbes mettent bien en évidence la valeur maximale de l'avancement maximal une fois que l'équivalence est atteinte

Q17)Une fois l'équivalence atteinte , l'avancement maximal reste constant . Si on continue à verser des ions OH^- après l'équivalence , la quantité d'ions OH^- dans le milieu réactionnel augmente à X_m constant . D'où l'allure particulière de n(OH^-) à X_m = (X_m)_max =2 10^-3 mol : demi-droite verticale .

Q18)

La courbe X_m = f₄(V) est la même que précedemment .