TP C4 ETUDE DE L'ETAT D' EQUILIBRE PAR CONDUCTIMETRIE
Matériel : - Solutions aqueuses à 10-2 mol/L d'acide éthanoïque, méthanoïque, benzoïque
- Conductimètre, solution étalon
- Fiole jaugée 100 mL, pipette jaugée 10 mL, béchers.
I-INFLUENCE DE LA CONCENTRATION INITIALE DES REACTIFS
Objectif : A partir de la mesure de la conductivité de solutions d'acide éthanoïque de conc différentes,
· comparer le taux d'avancement t éq ,
· comparer le quotient de réaction à l'équilibre Q r,éq
Q1. Indiquer le mode opératoire pour préparer une solution d'acide éthanoïque de conc 10-3 mol/L à partir de la solution à 10-2 mol/L.
1. Utilisation du conductimètre :
Régler la température sur le conductimètre.
Immerger la cellule conductimétrique, rincée à l'eau distillée et séchée avec du papier, dans la solution étalon. Régler le conductimètre de façon à ce qu'il affiche la valeur correcte de la conductivité.
Bien rincer et sécher la cellule entre 2 mesures.
2. Mesurer la conductivité s de chaque solution d'acide éthanoïque.
Q2. Faire le schéma du montage de conductimétrie. Remplir le tableau ci-dessous :
| CH3COOH | 10-2 mol/L |
10-3 mol/L |
| s (mS / cm) | ||
| s ( S / m) |
Q3. Ecrire la réaction R1 de l'acide éthanoïque sur l'eau.
Rappeler ce qu'est une transformation limitée, puis un équilibre.
Q4. Exprimer s en fonction des conductivités molaires ioniques lo et des concentrations des ions présents en solution. Dans quelle unité s'expriment les concentrations, si s est exprimée en S.m-1 et lo en S.m2.mol-1 (unités SI) ?
Q5. Construire le tableau d'avancement de R1. Exprimer les concentrations à l'équilibre en fonction de l'avancement volumique y éq. =Xeq/V . Que vaut y max =Xmax/V ?
Q6. Exprimer s en fonction de y éq et des conductivités molaires ioniques lo des ions présents.
Q7. A 20° C, lo CH3COO- = 3,68.10-3 et lo H3O+ = 31,5.10-3 (S.m2.mol-1).
A l'aide de Q6, Q2, et Q5 calculer y équil ,puis t. Remplir le tableau ci-dessous (sauf la dernière ligne) :
| CH3COOH | 10-2 mol/L |
10-3 mol/L |
| s ( S / m) | ||
| y équilibre (mol/m3) | ||
| y équilibre (mol/L) | ||
| t équilibre = y équilibre / y max | ||
| Q r, équilibre = K |
Q8. La concentration en soluté apporté a-t-elle une influence sur :
- l'avancement volumique à l'équilibre ?
- l'avancement volumique maximal ?
- le taux d'avancement final ?Justifier les réponses.
Q9. Calculer le quotient de réaction à l'équilibre pour chaque solution (exprimer les concentrations en mol/L), remplir la dernière ligne du tableau Q7.
Q r,équilibre dépend-elle de la concentration initiale des réactifs ?
II – INFLUENCE DE LA NATURE DE L'ACIDE
Objectif : On mesure la conductivité de solutions aqueuses de différents acides carboxyliques de même concentration (10-2 mol/L). On compare ensuite les valeurs de t et Q r,éq obtenues.
Q11. Ecrire les équations des réactions de l'acide méthanoïque et de l'acide benzoïque avec l'eau.
Compléter le tableau de la transformation dans chaque cas.
| HCOOH + H2O = + | ||||
| E.I | 10-2 mol/L | |||
| EF (équil) | ||||
y max =
| C6H5COOH + H2O = + | ||||
| E.I | 10-2 mol/L | |||
| EF (équil) | ||||
y max =
Q12. Sachant que, à 20°C, loHCOO- = 4,91.10-3, loC6H5COO- = 2,91.10-3 (S.m2.mol-1), exprimer la conductivité s en fonction des conductivités molaires ioniques et de y éq pour chaque solution.
Q13. Mesurer s pour l'acide méthanoïque et benzoïque, calculer y éq en s'aidant de Q11 et Q12, recopier les valeurs obtenues Q7 pour l'acide éthanoïque de conc 10-2mol/L, puis compléter le tableau suivant :
| Solution 10-2mol/L | s (mS.cm-1) |
s (S.m-1) |
y équil (mol/m3) |
y équil (mol/L) |
| CH3COOH | ||||
| HCOOH | ||||
| C6H5COOH |
Q14. Remplir le tableau Q11, en calculant [AHéq], [A-éq], [H3O+éq].
Q15. Calculer t et Q r,éq (en exprimant les conc en mol/L), remplir le tableau ci-dessous.
| Solution 10-2mol/L | t = y équil / y max |
Q r,éq = [A-éq].[H3O+éq] / [AHéq] |
| CH3COOH | ||
| HCOOH | ||
| C6H5COOH |
Q16. Classer ci-dessous les acides par ordre de t et de Q r,éq croissant. Conclure.
| Acide (10-2mol/L) : | |||
| t | |||
| Q r,éq |
TP C4 : correction :
Q1) La solution fille est diluée 10 fois par rapport à la solution mère .
La dilution ne modifie pas la quantité de soluté introduite , c'est à dire que nous avons l'égalité :
nsoluté = Cmere * Vmere = Cfille * Vfille .
Si Vfille = 100 ml , cela donne Vmere = Cfille/Cmere* Vfille = 10-3/10-2 * 100 = 10 mL
Pour préparer la solution fille , nous pouvons donc prélever avec une pipette jaugée de 10 mL, munie d'une propipette, 10 mL de solution mère qu'on introduit dans une fiole jaugée de 100 mL .
En prenant soin d'agiter , par ajouts successifs , on ajoute de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge . On agite encore de façon à bien homogénéiser la solution .
Q2)
| CH3COOH | 10-2 mol/L |
10-3 mol/L |
| s (mS / cm) | 0,157 | 0,0497 |
| s ( S / m) | 0,0157 | 0,00497 |
remarque : 1 mS.cm-1 = 1 (10-3 S) * (1 0-2 m)-1 = 10-3* 102 S.m-1 = 10-1 S.m-1
Q3) CH3COOH + H2O = CH3COO- + H3O+ (R1)
Une réaction est limitée lorsque le réactif limitant ne disparaît pas complètement . L'équilibre est atteint lorsquent les concentrations des espèces de la transformation chimiquent n'évoluent plus .
Q4)
Les concentrations s'expriment en mol.m-3 .
Q5)
| Equation chimique | CH3COOH + H2O ---> CH3COO- + H3O+ | ||||
| Etat du système | Avancement (mol) | Quantités de matière |
|||
| Etat initial | 0 |
nA,0 |
excès |
0 |
0 |
| En cours de trans. | X |
nAH,0 - X |
excès |
X |
X |
| Etat final | Xf |
nAH,f-Xf |
excès |
Xf |
Xf |
ou en utilisant l'avancement volumique :
| Equation chimique | CH3COOH + H2O ---> CH3COO- + H3O+ | ||||
| Etat du système | Avancement volumique (mol/L) | Quantités de matière |
|||
| Etat initial | 0 |
CAH |
excès |
0 |
0 |
| En cours de trans. | Y |
CAH - Y |
excès |
Y |
Y |
| Etat final | Yf=Yeq |
CAH-Yeq |
excès |
Yeq |
Yeq |
Ymax = CAH
Q6)
Q7)
| CH3COOH | 10-2 mol/L |
10-3 mol/L |
| s ( S / m) | 0,0157 | 0,00497 |
| y équilibre (mol/m3) | 0,446 | 0,141 |
| y équilibre (mol/L) | 4,46 10-4 | 1,41 10-4 |
| t équilibre = y équilibre / y max | 4,46 % | 14,1 % |
| Q r, équilibre = K | 2,1 10-5 | 2,2 10-5 |
Q8)Les résultats précédents montrent que :
* l'avancement volumique Yeq dépend de la concentration en soluté apporté
* l'avancement volumique maximal dépend également de la concentration en soluté apporté .
* le taux d'avancement final dépend également de la concentration en soluté apporté .
Q9) 
La constante d'équilibre ne dépend pas des concentrations initiales des réactifs .
Q11)
| HCOOH + H2O = HCOO- + H3O+ | ||||
| E.I | 10-2 mol/L | excès | 0 | 0 |
| EF (équil) | 10-2 - Yeq | excès | Yeq | Yeq |
y max = 10-2 mol/L
| C6H5COOH + H2O = C6H5COO- + H3O+ | ||||
| E.I | 10-2 mol/L | excès | 0 | 0 |
| EF (équil) | 10-2 - Yeq | excès | Yeq | Yeq |
y max = 10-2 mol/L
Q12)
* acide méthanoïque :
= 3,64 10-2 Yeq
* acide benzoïque
= 3,44 10-2 Yeq
Q13)
| Solution 10-2mol/L | s (mS.cm-1) |
s (S.m-1) |
y équil (mol/m3) |
y équil (mol/L) |
| CH3COOH | 0,157 | 1,57 10-2 | 0,446 | 4,46 10-4 |
| HCOOH | 0,484 | 4,84 10-2 | 1,33 | 1,33 10-3 |
| C6H5COOH | 0,276 | 2,76 10-2 | 0,803 | 8,03 10-4 |
Q14)
| HCOOH + H2O = HCOO- + H3O+ | ||||
| E.I | 10-2 mol/L | excès | 0 | 0 |
| EF (équil) | 8,67 10-3 mol/L | excès | 1,33 10-3 mol/L | 1,33 10-3 mol/L |
| C6H5COOH + H2O = C6H5COO- + H3O+ | ||||
| E.I | 10-2 mol/L | excès | 0 | 0 |
| EF (équil) | 9,2 10-3 mol/L | excès | 8,03 10-4 mol/L | 8,03 10-4 mol/L |
Q15)
| Solution 10-2mol/L | t = y équil / y max |
Q r,éq = [A-éq].[H3O+éq] / [AHéq] |
| CH3COOH | 4,46 % | 2,1 10-5 |
| HCOOH | 13,3 % | 2,04 10-4 |
| C6H5COOH | 8,03 % | 7 10-5 |
Q16)
| Acide (10-2mol/L) : | CH3COOH | C6H5COOH | HCOOH |
| t | 4,46 % | 8,03 % | 13,3 % |
| Q r,éq | 2,1 10-5 | 7 10-5 | 20,4 10-5 |
C'est l'acide méthanoïque qui réagit le mieux avec l'eau . Un acide réagit d'autant plus avec l'eau que sa constante d'équilibre est élevée .