Réactions en solution aqueuse

Acide éthanoïque / ion éthanoate : CH 3CO2 H / CH 3COO^- : pK_A,1 = 4,7

Ion ammonium / ammoniac : NH₄⁺ / NH₃ : pK_A,2 = 9,2

H₃O⁺ / H₂O : pKA = 0

H₂O / HO ^- : pKA = 14

On introduit de l'acide éthanoïque pur dans de l'eau. On obtient une solution aqueuse S₁ de volume V1 = 10 mL, de concentration apportée en acide éthanoïque C₁ = 2,0 10^-2 mol.L^{- 1}. La mesure du pH de la solution S₁ donne 3,2.

2.2. Tracer le diagramme de prédominance du couple acide éthanoïque / ion éthanoate. En déduire l'espèce prédominante dans la solution S₁.

2.3.a. Déterminer l'avancement final X_1,f de la réaction de l'acide éthanoïque avec l'eau (on pourra s'aider d'un tableau d'avancement).

2.3.b. Comparer X_1,f et l'avancement maximal X_1,max ( avancement final qui serait atteint si la transformation était totale).

2.3.c. En déduire le taux d'avancement final t₁ de cette réaction.

Soit une solution préparée par dissolution dans l'eau d'ammoniac gazeux. On obtient une solution aqueuse S₂ de volume V₂ = 10,0 mL, de concentration apportée en ammoniac C₂ = 1,0 . 10^-2 mol/L . La mesure du pH de la solution S₂ donne 10,6.

3.2. Tracer le diagramme de prédominance du couple ion ammonium / ammoniac. En déduire l'espèce prédominante dans S₂.

3.3. Déterminer le taux d'avancement final t₂ de cette réaction (on pourra s'aider d'un tableau d'avancement). Le résultat est-il cohérent avec celui de la question 3.2 ? Justifier.

On réalise une solution S de volume V = 20 mL en introduisant dans l'eau 2.10^-4 mol d'acide éthanoïque et 1. 10^-4 mol d'ammoniac. On modélise la transformation qui a lieu par la réaction suivante :

CH₃COOH + NH₃ = CH₃COO^- + NH₄⁺ (3)

4.1. Calculer le quotient de réaction du système dans l'état initial Q_r,i .

4.2. Comparer Q_r,i au quotient de réaction dans l'état d'équilibre Q_req . Que peut-on en déduire ?

4.3. Exprimer Q_req en fonction de l.avancement maximal X_3,f de la réaction (on pourra s'aider d'un tableau). En déduire la valeur de X_3,f . La comparer à la valeur de l'avancement maximal X_3,max.

4.4. La transformation du système peut-elle être considérée comme totale ? A l'aide du bilan de matière dans l'état final, citer, pour chacun des couples CH₃CO₂H / CH₃COO^- et NH₄⁺/NH₃ , les espèces prédominantes dans la solution S.

Expliquer pourquoi la valeur du pH de la solution S est égale à 4,7.

Réactions en solution aqueuse : Correction

1.Produit ionique de l'eau :

1.1 K e = [H₃O⁺][HO^-]

1.2 Pour H ₂ O/ OH^{- ?} H ₂ O + H ₂ O = OH ^- + H ₃ O^{+ ?} pK _A = 14

K =K _A = K _e = 10^-14

2.Réaction de l'acide éthanoïque avec l'eau :

2.1 : CH₃COOH + H₂O = CH₃COO^- + H₃O⁺ (1)

2.2 :

Ici pH=3,2 : c'est donc l'acide éthanoïque qui prédomine

2.3-a:

avec [H₃O⁺] =X_1,f/V₁ = 10^-pH

2.3.b :X_1,max = C₁V₁ = 2 10^-4 mol X_1,f = 10^-3,2 * 10 10^-3 = 6,3 10^-6 mol : la réaction n'est pas totale .

2.3.c : t_f = X_1,f/X_max = 0,03 = 3%

2.3d : Seulement 3% de l'acide éthanoïque a réagi . L'espèce qui prédomine est bien l'acide éthanoïque .

3.1 NH₃ + H₂O = NH₄⁺ +HO^- (2)

3.2

Ici pH = 10,6 (>9,2) : c'est donc la base du couple qui prédomine , c'est à dire NH₃ .

3.3

avec [HO^-] = K_e/[H₃O⁺] = K_e/10^-pH = X_2,f/V₂ .

X_2,f = K_e*V₂/10^-pH = 3,9 10^-6 mol X_2,max= 10^-4 mol t_f = 4 10^-2

Autrement dit , la réaction de l'ammoniac avec l'eau est très limitée : ce résultat est en accord avec 3.2 , c'est bien l'ammoniac qui prédomine .

4.1 :0 car on n'apporte pas d'ions ammonium , ni d'ions éthanoates au départ .

4.2 et donc Q_r,i < Q_r,eq : la transformation a lieu dans le sens direct .

4.3

La résolution de l'équation du second degré donne X_3,f de l'ordre de 10^-4 mol , c'est à dire que X_3,f=X_3,max et par conséquent t_f = 1

4.3 La transformation chimique peut donc être considérée comme totale . Dans la solution S les ions ammonium prédominent , l'ammoniac ayant pratiquement disparu .

Les ions éthanoate et l'acide éthanoïque sont en même quantité : 10^-4 mol et par conséquent pH = pK_A,1 = 4,8