TP C3 :TRANSFORMATION LIMITEE OU TOTALE ?

I/Matériel

-Bécher , fiole jaugée 100 mL , pipette 10 mL , papier pH , pH-mètre

-solutions 10-2 et 2 10-2 mol.L-1 d'acide chlorhydrique

-solution centimolaire d'acide éthanoïque

- éthanoate de sodium solide , balance , spatule

II/But du TP

Mettre en évidence l'existence de transformation limitée et introduire la notion d'équilibre chimique.

III/ Le pH

a)Définition :

[H3O+] = 10-pH ou pH = - log [H3O+]

b)Utilisation du pH-mètre :

L'utilisation du pH -mètre nécessite un étalonnage préalable . On respectera l'ordre des étapes suivantes :

* Mettre le pH-mètre en marche

* Rincer l'électrode en projetant à l'aide de la pissette un jet d'eau distillée à la partie inférieure de l'électrode (ne pas toucher avec les doigts) .

Si nécessaire , utiliser un morceau de papier filtre pour essuyer l'électrode .

* Plonger l'électrode dans une solution tampon de pH déterminé et dont on connait la température . Appuyer sur la touche "Mesure" et régler la température en utilisant les touches haut et bas

* Appuyer sur la touche "Etalon." et régler le pH à la valeur du pH de la solution tampon en utilisant les touches haut et bas .

* Appuyer sur la touche "Mesure" . L'appareil est alors réglé et on peut effectuer les mesures . On prendra soin de chaque fois rincer l'électrode entre deux mesures

c) mesures :

Mettre une trentaine de mL de solution d'acide chlorhydrique centimolaire (10-2 mol.L-1 ) dans une petit bécher . "Descendre" l'électrode dans la solution de façon à ce que la partie inférieure , sphérique , de l'électrode , soit complètement immergée dans la solution .

Entre deux mesures , penser à rincer l'électrode avec de l'eau distillée .

Q1)Mesurer le pH de chacune des solutions suivantes :

*solution d'acide chlorhydrique centimolaire : pH= .......

*solution d'acide chlorhydrique millimolaire (10-3 mol/L) : pH= .......

*solution d'acide éthanoïque décimolaire :pH= ..........

*solution d'acide éthanoïque centimolaire : pH= .........

IV/Cas d'une transformation totale :

a)La réaction du chlorure d'hydrogène avec l'eau :

HCl + H2O -------> H3O+ + Cl-

Q2)Quelle est la quantité de chlorure d'hydrogène dissoute dans 40 mL de solution d'acide chlorhydrique de concentration C=10-2 mol.L-1 ?

Q3)En utilisant la mesure du pH effectuée précedemment, calculer la quantité d'ions oxonium H3O+ présents dans 40 mL de solution .

b)Tableau d'avancement de la réaction du chlorure d'hydrogène avec l'eau

On s'interresse à 40 mL de solution d'acide chlorhydrique centimolaire :

Q4)Recopiez le tableau sur votre copie et complétez le :

Equation chimique

HClg + H2O -----------> H3O+ + Cl-

Etat du système

Avancement (mol)

Quantités de matière

Etat initial

0

 nHCl,0=

excès

    

En cours de trans.

X

  

excès

 X

X

Etat final

 Xf=  

excès

    

On note Xf l'avancement final de la réaction .

Q5)Calculer l'avancement maximal Xmax. Comparer à Xf . Conclure

Q6)Calculer le taux d'avancement final t= Xf/Xmax

V/Cas d'une transformation limitée :

a)La réaction de l'acide éthanoïque avec l'eau :

CH3COOH + H2O -------> H3O+ + CH3COO-

Q7)Quelle est la quantité d'acide éthanoïque dissoute dans 40 mL de solution d'acide éthanoïque de concentration C=10-2 mol.L-1 ?

Q8)En utilisant la mesure du pH effectuée précedemment, calculer la quantité d'ions oxonium H3O+ présents dans 40 mL de solution .

b)Tableau d'avancement de la réaction de l'acide éthanoïque avec l'eau

On s'interresse à 40 mL de solution d'acide éthanoïque centimolaire :

Q9)Recopiez le tableau sur votre copie et complétez le :

Equation chimique

CH3COOH + H2O ------> H3O+ + CH3COO--

Etat du système

Avancement (mol)

Quantités de matière

Etat initial

0

 nA,0=

excès

    

En cours de trans.

X

  

excès

 X

X

Etat final

 Xf=  

excès

    

Q10)Calculer l'avancement maximal Xmax. Comparer à Xf . Conclure

Q11)Calculer le taux d'avancement final t= Xf/Xmax

VI/Etude de la réaction de l'ion éthanoate sur l'ion oxonium :

L'éthanoate de sodium est un solide blanc de formule CH3COONa ; ce composé a une masse molaire de 82 g.mol-1 .

Par dissolution dans l'eau , il y a dispersion des ions :

CH3COONas -----> Na+ + CH3COO-

a)Réaction entre les ions éthanoate et les ions oxonium :

CH3COO- + H3O+ --------> CH3COOH + H2O

Préparer par pesée 0,16 g d'éthanoate de sodium anhydre et introduire la poudre dans 100 mL de solution d'acide chlorhydrique à 1 10-2 mol.L-1 .

On considérera que le volume n'a pas varié et reste égal à 100 mL

Q12)Mesurer le pH de la solution obtenue pHs= .........

b)Tableau d'avancement de la réaction entre les ions éthanoate et les ions oxonium :

On s'interresse à la solution préparée dans a /

Q13)Recopiez le tableau sur votre copie et complétez le :

 

Equation chimique

CH3COO- + H3O+ ---> CH3COOH + H2O

Etat du système

Avancement (mol)

Quantités de matière

Etat initial

0

      

beaucoup

En cours de trans.

X

     X

beaucoup

Etat final

 Xf=      

beaucoup

 

Q14)Calculer l'avancement maximal Xmax. Comparer à Xf . Conclure

Q15)Calculer le taux d'avancement final t= Xf/Xmax

 

VII/Notion d'état d'équilibre d'un système chimique :

 

Dans V , nous avons écrit : CH3COOH + H2O -------> H3O+ + CH3COO- (sens "direct")

Dans VI, nous avons écrit : CH3COO- + H3O+ -------> CH3COOH + H2O (sens "inverse")

Ces 2 équations de réaction correspondent à une transformation chimique ayant deux évolutions possibles . Lorsque l'un ou l'autre de ces évolutions a atteint son avancement final :

* il y a dans le milieu réactionnel les 4 espèces CH3COOH , CH3COO- , H3O+ et H2O

* à l'état microscopique , ces deux espèces réagissent toujours entre elles aussi bien dans le sens "direct" que dans le sens "inverse", mais la vitesse de disparition d'une espèce est égale à la vitesse de formation de cette même espèce.

*A l'état macroscopique , le système semble ne plus évoluer ; il semble figé . Les quantités de matière (et les concentrations) des réactifs et des produits sont stationnaires .

On dit que les 4 espèces sont en ETAT d'EQUILIBRE . On parle d'équilibre dynamique parce que deux réactions inverses et simultanées s'effectuent à la même vitesse .

Pour rendre compte de cet équilibre nous écrirons :

CH3COOH + H2O = CH3COO- + H3O+

Ainsi , on ne préjuge pas du sens dans lequel s'effectue la transformation .

 

TPC3 : Correction :

1)acide chlorhydrique centimolaire : pH=2

acide chlorhydrique millimolaire : pH=3

acide éthanoïque décimolaire : pH =2,9

acide éthanoïque centimolaire : pH=3,3

2) n(HCl dissout) = CV = 4 10-4 mol

3)n(H3O+ dans la solution) = [H3O+] V = 10-pH * V = 4 10-4 mol

4)

Equation chimique HClg + H2O -----------> H3O+ + Cl-
Etat du système Avancement (mol)

Quantités de matière
Etat initial

0

 4 10-4

excès

0

0
En cours de trans.

X

4 10-4-X

excès

 X

X
Etat final Xf= 4 10-4

0

excès

4 10-4

4 10-4

 

5)Xmax est l'avancement de la réaction lorsque le réactif limitant est totalement consommé .

Xmax= 4 10-4 mol

6)Xf = Xmax : la réaction de Hcl avec l'eau est donc totale .

7) n(CH3COOH dissout) = C V = 4 10-4 mol

8)n(H3O+ dans la solution) = [H3O+] V = 10-pH * V = 10-3,3 * 40 10-3 = 2 10-5 mol

9)

Equation chimique CH3COOH + H2O ------> H3O+ + CH3COO--
Etat du système Avancement (mol)

Quantités de matière
Etat initial

0

 4 10-4

excès

0

0
En cours de trans.

X

4 10-4-X

excès

 X

X
Etat final Xf=2 10-5

38 10-5

excès

2 10-5

2 10-5

 

10)Xmax = 4 10-4 mol

Ici , nous avons par conséquent Xf < Xmax : la réaction entre l'acide éthanoïque et l'eau n'est donc pas totale (il reste du réactif limitant à la fin de la réaction ) .

11) t= 0,05

12) pHs = 4,6

 13)
Equation chimique CH3COO- + H3O+ ---> CH3COOH + H2O
Etat du système Avancement (mol)

Quantités de matière
Etat initial

0

 2 10-3

1 10-3

0

beaucoup
En cours de trans.

X

2 10-3-X

10-3-X

 X

beaucoup
Etat final Xf= 100 10-5-0,25 10-5=99,7 10-5 mol

1 10-3

2,5 10-6

9,97 10-4

beaucoup

 

14)Xmax = 100 10-5 mol . Il est clair que Xmax et Xf sont voisins avec toutefois Xf < Xmax . La réaction n'est pas totale , mais elle est très avancée .

15)t= 0,99 = 99 % (réaction quasi-totale)