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M I C R O M G A

Chimie 1re SLIVRE DU PROFESSEUR

DEUXIME DITION

Sandrine MathevetProfesseur au lyce Aux Lazaristes Lyon

Karine VasseurProfesseur au lyce La Martinire Monplaisir Lyon

Joseph ThoralProfesseur au lyce Honor-dUrf Saint-tienne

Ghislain GarciaProfesseur au collge Le Mourion Villeneuve-ls-Avignon

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S O M M A I R E

Partie I. La mesure en chimie

1 Grandeurs physiques et quantit de matire . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Solutions ioniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Concentrations dune solution ionique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Le coin bac Solutions aqueuses ioniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4 Conductimtrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5 Ractions acido-basiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 Ractions doxydorduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Le coin bac Ractions acido-basiques Ractions

doxydorduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

7 Titrages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Le coin bac Conductimtrie et titrages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

Partie II. La chimie cratrice

8 Introduction la chimie organique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 739 Groupes caractristiques et ractivit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Le coin bac La chimie cratrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Partie III. Lnergie au quotidien

10 Lnergie en chimie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

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Ce chapitre couvre le paragraphe I.A. et une partie du para-graphe I.B. du programme officiel (pages 196 et 197 duB.O.). Le paragraphe I.A. est trait en activits et donne leton de nombreux exemples et exercices. Du paragraphe I.B.,nous traitons le point 1 (Masse, volume, pression ) et sesapplications telles quelles sont spcifies dans le point 3(Applications au suivi dune transformation chimique ).Cela fait du premier chapitre un chapitre de rvisions qui

rappelle les notions fondamentales lies aux quantits dematires des solides, des liquides (masse, volume) et des gaz(masse, volume, pression, volume molaire) dans le cas descomposs molculaires. Tout ce qui est spcifique auxcomposs ioniques est regroup dans les chapitres 2 et 3.Ces notions sarticulent dans le cours autour de trois parties : La premire partie montre brivement lintrt historiquede la mesure en chimie. La deuxime partie permet de rappeler comment calculer

une quantit de matire partir de la valeur de la masse m etdu volume V dun liquide. La dfinition de la masse volu-mique est rappele. chaque mesure on associe la prcisionde la mesure qui dpend de linstrument utilis. La dfinitionde la concentration c dune espce chimique en solution estrappele. Elle sera utilise dans un exercice rsolu avecleau oxygne. Lquation dtat du gaz parfait est rappeleainsi que la dfinition du volume molaire des gaz. La troisime partie reprend ltude du tableau davance-ment et du bilan de matire : on utilise la raction du cal-caire avec lacide chlorhydrique. La production dun gaz per-met une tude pression constante et une autre volumeconstant.

La prcision de la mesure est un aspect prsent dans cechapitre et plus gnralement dans tout le manuel, confor-mment aux instructions du programme. Dans ce premierchapitre, la prcision dune mesure est centre sur ltudede la prcision de la verrerie. Cette approche sera rinves-tie au chapitre 4 (Conductimtrie ) puis au chapitre 7

(Titrages), comme cela est spcifi au B.O. Il est essentielque llve sache que le rsultat dune mesure ne peut tredonn par une valeur exacte et qu chaque rsultat estassocie une incertitude. Celle-ci dpend du matrielchoisi et des conditions dutilisation de celui-ci. Des ren-vois des fiches techniques sont affichs par le logo FTtout au long de louvrage.

Les concepts abords dans ce chapitre apparaissent dans lesactivits de dcouverte ou dans les activits dexploitation.Les activits de dcouverte, places avant le cours, permet-tent de faire le point sur ce que sont des grandeurs et sur leurimportance pour dcrire quantitativement un systmechimique.Les deux activits courtes permettent de rappeler les notionsde pression p, de volume V, de temprature T et de quantitde matire n, dcrivant ltat gazeux. Les exemples proposspermettent de donner du sens de telles grandeurs, condui-sant ainsi llve de se les rapproprier.Lanalyse dune tiquette deau minrale a t choisie carelle met en vidence les grandeurs physiques utilises loccasion dun exemple de la vie courante. La ncessitdafficher les valeurs de ces grandeurs est une obligation

lgale pour certains produits, en lien avec la scuritdes consommateurs ou la surveillance et la protection delenvironnement.Le tableau davancement associ une raction chimiquetudi en fin de Seconde, est repris partir de lexemplesimple de la raction du fer avec le soufre. Cet exemple at choisi car lquation chimique correspondante est sim-

Grandeurs physiqueset quantit de matire1

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Cette deuxime activit courte reprend les concepts ren-contrs lors de lactivit prcdente, mais la situation choi-sie est maintenant celle dune transformation chimique.Une mme transformation chimique est ralise pressionconstante (Fig. 1) et volume constant (Fig. 2).Comment dterminer la valeur de lavancement x chaqueinstant, pour chaque situation exprimentale, en utilisantles grandeurs physiques prcdemment rencontres ?La notion de grandeur mesurable, quil sagisse de la mesure

de la pression ou de la mesure du volume de gaz produit,permet datteindre la valeur de lavancement x, fondamen-tale pour ltude des ractions chimiques.

Lquation de la raction est :2 H+ + CaCO3 A CO2 + Ca

2+ + H2O Fig. 1 : la pression du gaz tant fix (patm) ; le volumegazeux augmente avec la quantit de matire nCO2.

Fig. 2 : le volume tant constant, cest la pression p du gazqui augmente avec la quantit de matire nCO2.

Il a voulu raliser un bain thermostat afin que la temp-rature du milieu ractionnel ne varie pas.

Fig. 1 : nCO2 = .

Fig. 2 : nCO2 = ,

avec p = p(air + CO2) p(air initial). Lavancement de cette raction est x = nCO2, on suivrax = (t) en appliquant les deux relations prcdentes.

!"

Afin de faire merger la ncessit de la mesure en chimie,les lves sont invits rechercher les diffrentes gran-deurs ncessaires ltiquetage dune eau minrale. Cestloccasion de se questionner sur la faon dont ces gran-deurs ont t mesures, quil sagisse de volume ou de pH.Cette activit permet de faire des rappels de Seconde

RT

patmVgazRT

Lactivit 6 est une activit exprimentale mettant en jeu uncapteur de pression. Elle permet de dterminer la quantitde principe actif prsente dans un comprim daspirine enappliquant la loi du gaz parfait autour de laquelle sarticulentde nombreuses connaissances de ce chapitre. Cest unexemple dtude dune raction chimique volume constant.Dans lesprit du programme, ce chapitre permet donc deprciser les connaissances de la classe de Seconde relati-ves ltude quantitative de la raction chimique. Un telacquis est essentiel en Premire S et sera rinvesti tout aulong de lanne.

& ''(

Cette activit nous amne rflchir sur les causes de l-clatement de deux ballons. Llve doit proposer dans unpremier temps une approche gnraliste sur les causes delclatement, avec un vocabulaire qui devra tre prcis aufur et mesure de la discussion. Ensuite, il devra exprimerses ides en employant les termes exacts qui feront inter-venir les concepts de volume, de pression, de temprature,de quantit de matire quil a rencontr en fin de classe de

Seconde lors de ltude des gaz.Les deux exemples proposs lui permettent de donner dusens ces diffrentes grandeurs, lui permettant ds lors demieux les matriser.

Ballon de foot :

Le ballon clate, car il a subit un choc trop violent. Ceballon sans doute trop gonfl est rest expos au soleil trop

longtemps, ce qui a provoqu son clatement. La pression p du gaz emprisonn dans la vessie tait tropgrande. Lenveloppe de cuir na pas rsist et sest dchi-re. Cette pression p a augment sous leffet dune lva-tion de la temprature e du gaz. Ce ballon, sans doute tropgonfl renfermait une quantit de matire gaz n gaz trop

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opratoires. Une premire approche dun travail sur unequation chimique est aborde afin dancrer cette activitdans le cadre de ce chapitre dont un des objectifs est dereprendre les connaissances de Seconde sur les bilans dematire. La vrification de llectroneutralit de la solutionpermet deffectuer le calcul des quantits de matire desdiffrents ions dissous, et de montrer la cohrence de tou-tes les indications de ltiquette. La teneur en ions nitratepermet enfin de souligner les normes respecter afinquune eau minrale puisse tre commercialise.

Le volume V = 33 cL. Connatre la valeur du volumepour comparer par exemple le prix au litre dune eau com-

mercialise dans des bouteilles de volumes diffrents. pH = 6. Savoir si leau est acide ou basique. Une eau min-rale ptillante est souvent plus acide quune eau minraleplate. Composition moyenne en mg L1. La composition de lasolution est exprime laide de la grandeur concentrationmassique.

Note : Certaines eaux minrales indiquent simplement lunit mg pour laconcentration des ions. Cest un abus de langage. Par ailleurs, il faut faireremarquer aux lves quon ne peut pas peser 90 mg dions calcium.

Utiliser une prouvette gradue de volume suffisant, ouprocder en plusieurs tapes. Par pese : peser la bouteille deau pleine, la vider et peser nouveau la bouteille vide. La diffrence de masse donnela masse de leau. Diviser cette masse par la masse volu-mique de leau. On prendra, en premire approximation, lamasse volumique (attention aux units) de leau pure, mais

on pourra tenir compte de la temprature. Par exemple, onprendra l = 0,998 2 kg . L1 si la temprature est de 20 C,ou suivant la prcision recherche, l = 1 kg L1.

Le pH se mesure avec du papier-pH ou avec un pH-mtre.Cette seconde mthode de mesure est plus prcise.

Cela signifie que la concentration massique en ionschlorure est 40 mg . L 1. Cest la grandeur concentrationmassique qui est exprime en mg . L1.

Test des ions chlorure : le trouble est d la formationdun prcipit, reprsent par lquation : Ag+ + Cl A AgCl.

Un ractif permet de caractriser un ion sil donne un testperceptible et aussi spcifique que possible de cet ion.

Note : Il ny a que trois cations qui prcipitent avec lion chlorure : Ag+, Pb2+ etHg2

2+. La prcipitation du chlorure dargent est donc raisonnablement spcifique.

La masse du rsidu sec est infrieure la masse totale. Eneffet, quand on chauffe leau 180 C, les ions hydrogno-carbonate se transforment en dioxyde de carbone et envapeur deau gazeux cette temprature. La diffrence desmasses correspond la masse de dioxyde de carbone et devapeur deau produites par la raction chimique ci-dessus.

! Le gaz prsent naturellement dans cette eau est ledioxyde de carbone, de formule chimique CO2.

nMg2+ = = 3,5 103 mol.

* La formule chimique de la silice est SiO2 (oxyde de sili-cium). Le sable est constitu de silice.

Note : La silice SiO2 nest bien sr pas soluble dans leau : cest du sable. De la silicetrs divise peut passer travers les filtres usuels, et rester en suspension. On la

retrouve dans le rsidu sec, mais en aucun cas, on ne peut parler de solutionde silice dans leau. Les termes appropris, qui ne sont pas du niveau de laPremire S, sont suspension ou dispersion. Si les particules en suspension ont desdiamtres compris entre 10 4 et 10 7 cm, on parle de collode; dans le cas dunsolide finement divis dans un liquide, on parle de sol.

+ ,))+

Des rappels de Seconde sur la raction chimique, lestableaux davancement et les bilans de matire sont reprisdans cette activit. Les diffrents cas habituels (stchio-mtrie et non-stchiomtrie) sont envisags.Ltude exprimentale met ensuite laccent sur les ractionssecondaires associes, notamment la pollution par ledioxyde de soufre. Le dispositif de protection propos, dansle mode opratoire, pour limiter le dgagement de dioxyde

de soufre et son principe sont sommairement tudis ; ilsdonnent loccasion daborder la dissolution dans leau duneespce chimique gazeuse.Llve voit clairement que ltude dune raction chimiquene se limite pas seulement la raction quil a choisi dtu-dier, mais que dautres ractions, dites secondaires, sontgalement prendre en compte.Cette activit permet llve de retrouver le tableau davan-cement associ ltude dune raction chimique. Cet outil

essentiel tant repris tout au long de lanne, il est importantque llve le matrise le plus tt possible. La raction du fer etdu soufre a t choisie pour que les coefficients stchiom-triques soient les plus simples, ceci afin de limiter les diffi-cults dune premire tude. Les diffrents cas habituels (st-chiomtrie et non-stchiomtrie) sont envisags.

85 103

24,3

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La masse de sulfure de fer form sera :

mFeS = xmax MFeS = 9,3 102 87,9 = 8,2 g.

La masse de produit obtenue ne dpend que de la massede ractif limitant, et pas de celle du ractif en excs.

Lquation de la raction est : 3 Fe + 2 O2 A Fe3O4. La formation doxyde de fer ncessite la prsence dellment chimique oxygne dans le systme ractionnel.Les ractifs Fe et O2 sont tous deux prsents dans le sys-tme chimique. Le fer a t introduit lors de la pese dumlange ractionnel et le dioxygne est prsent dans lair.

Note : La temprature doit tre leve pour quune telle oxydation ait lieu. Lachaleur provient de lexothermicit de la raction principale.

Lespce chimique fer contenue dans lacier est porte haute temprature par le frottement du disque abrasif sur lapice meuler. Cet chauffement en prsence du dioxygnede lair ramne le fer aux conditions de la question 2. a.

Lquation de la raction est : S + O2 A SO2. Lentonnoir reli la trompe eau permet laspiration dudioxyde de soufre et sa mise en solution dans leau. (Ledioxyde de soufre est trs soluble dans leau.)

5 % du soufre correspondent une quantit de matirenv= 0,05 9,3 10 2 = 5 10 3 mol qui ragissent pour pro-duire une quantit de matire gale de dioxyde de soufre.La masse de dioxyde de soufre dgag serait :

mSO2 = MSO2 nv= 64,1 5 10 3 = 0,3 g

Vclasse = 3 10 6 = 180 m3.

La masse de dioxyde de soufre par m3 dair serait alors :

mSO2/Vclasse = 3 102/180 = 1,6 mg . m3.

Le seuil de toxicit (10 mg . m3

) nest pas atteint sur len-semble du volume de la classe, mais localement, pour ceuxqui sont proches de lexprience, la valeur limite peut treatteinte.

Un litre deau dissout 2 mol de dioxyde de soufre. Pourdissoudre tout le dioxyde de soufre produit, il faudrait unvolume deau Veau = 5 10

3/2 = 2,5 10 3 L soit 2,5 mL.Le dbit dune trompe eau tant de 7 L . min 1 et lexp-rience durant 1 mn, 7 L deau se seront couls. Tout le

dioxyde de soufre aspir par la trompe eau est donc dis-sous dans leau.

) Le systme chimique ne peut pas se limiter au fer et ausoufre, car le mlange ractionnel se trouve au contact dudioxygne de lair qui est impliqu dans au moins deux rac-tions chimiques secondaires. Il faudrait par exemple tra-

Il permet dapprofondir la question des airbags afin demieux connatre le principe de fonctionnement. Laspectphysique de lairbag, notamment le principe du capteur phy-sique permettant son dclenchement, nest videmment pasabord dans le cadre de ce manuel de chimie. Toutefois, lesractions chimiques quil met en uvre sont dcrites et per-mettent de rinvestir les notions de tableau davancement,de volume molaire dun gaz, fondamentale en dbut dan-ne de la classe de Premire scientifique.

La quantit de matire dazoture de sodium :n0 = 65/(23 + 3 14) = 1,0 mol.

xmax = 0,50 mol.La raction produit donc 1,5 mol de diazote N2.

Le volume de diazote, dans les conditions de lexp-rience, est tel que V = 1,5 24 = 36 L.Le volume du ballon tant de 35 L, celui-ci sera donc gonfl.

Note : La pression du gaz dans lairbag ainsi gonfl est peu suprieure la pres-sion atmosphrique.

On a xmax = 0,10 mol.La raction 2 produit donc 0,10 mol de N2 supplmentaire.

La pression dans le ballon sera donc augmente par laraction 2. La raction 2 entrane une surpression dans leballon qui permet de mieux amortir le choc et dassurer unemeilleure protection.

Note : Le sodium mtallique prsente un danger : il ragit avec leau pourproduire du dihydrogne, gaz explosif. La raction 2, dite de scuri t permetdviter ce danger.

Loxyde de sodium Na2O peut ragir avec leau suivant laraction :

Na2O + H2O A 2 Na + + OH

On obtient alors une solution de soude, corrosive, qui peutprsenter un danger. La raction 3, dite de combinaison,permet dviter ce danger

Avancement 2 NaN3 2 Na 3 N2

E.I. x = 0 1,0 0 0

E.F. xmax 1,0 2 xmax 2 xmax 3 xmax

10 Na 2 KNO3 K2O 5 Na2O N2

E.I. x = 0 1,0 excs 0 0 0

E.F. xmax 1,0 10 xmax excs xmax 5 xmax xmax

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forme gazeuse reprsente une difficult pour llve, diffi-cult aborde dans cette activit.Le choix de cette activit permet de retrouver la quantit deprincipe actif indique sur la bote dans laquelle les com-prims sont conditionns. Ltude quantitative permet detravailler sur le gaz produit par la raction, et dutiliser l-quation dtat du gaz parfait. On utilise le capteur de pres-sion que llve a manipul en classe de Seconde.Lutilisation de lEXAO est loccasion de faire appel unetechnique qui se dveloppe au lyce en sciences physiques,et que llve devra matriser.

Pour prparer 20 mL de solution dhydrognocarbonate

de sodium NaHCO3 de concentration c= 0,5 mol L

1

, il faututiliser la quantit de matire :n = c V = 0,5 20 10 3 = 0,01 mol

La masse peser est donc m = M n = 84,0 0,01 = 0,84 g.On pse 0,84 g dhydrognocarbonate de sodium. Onmesure 20 mL deau avec une prouvette gradue. On dis-sout lhydrognocarbonate de sodium dans un bchercontenant les 20 mL deau.

Notes :

Cest seulement aprs le chapitre 2 que les lves sauront relier la quantit dematire dun solide ionique la concentration des ions en solution. Cest la rai-son pour laquelle cette information est donne dans lnonc. Comme llve manipule peu lors de cette activit, nous en profitons pour luifaire prparer cette solution. Par ailleurs, un solide est toujours plus concretquune solution et llve voit mieux son ractif.

Pour mesurer le volume V0, on remplit compltement leballon avec de leau du robinet. On transfre cette eau dansune prouvette gradue; on trouve par exemple :

V0 = 340 mL On lit la valeur p0 sur le graphe ou dans le tableau demesure.

p0 = 93,2 kPa.

Soit n0 la quantit dair initiale. On a alors :

Comme n n0 = nCO2, alors nCO2 = (p p0) V0/ R (e0 + 273).

Tableau davancement de la raction :

chaque instant, x = nCO2 = (p p0) V0/ R (e0 + 273).La quantit de matire restante de C9H8O4 est donc :

a0 ( p p0) V0/R (e0 + 273).

On trouve exprimentalement que la valeur de la pres-sion se stabilise pmax = 113 kPa.

ltat final, la quantit de matire de C9H8O4 est nulle carcest le ractif limitant, do :a0 = xmax = (pmax p0) V0/ R (e0 + 273)

La quantit de matire de principe actif initialement pr-sente dans le comprim tait :

a0 = (113 93,2) 103 0,33 10 3/ (8,31 293)

= 2,68 10 3 mol.

La masse molaire de laspirine est :

MC9H8O4 = 180,0 g . mol

1

.Donc : a 0 = 0,500/180,0 = 2,78 103 mol.

Le rsultat est vrifi 3,6 % prs.

Note : La valeur exprimentale est infrieure la valeur thorique : le dioxydede carbone est un peu soluble dans leau, donc la quantit de matire dioxydede carbone gaz dtermine par lexprience est un peu plus faible que prvue.La solubilit de CO2 dans leau dpend de la pression partielle de CO 2 et de latemprature. Dans notre cas, (20 C, 21 kPa), elle est de 0,25 mmol dans 10 mL(Handbook of Chemistry and Physics 1996/97, 77e d. p. 6-7). Cest approxi-mativement la quantit de matire qui manque dans notre phase gazeuse.

!!"#$

Les volumes en mL sont :

V1 = 20 cm3 = 20 mL;

V2 = 1,12 L = 1,12 103 mL;

V3 = 0,05 L = 0,05 103 mL;

V4 = 1,0 103 dm3 = 1,0 mL;

V5 = 5,45 103 L = 5,45 10 6 mL.

C9H8O4 HCO3 C9H7O4

CO2 H2O

E.I. x = 0 a0 b0 0 0 solvant

chaqueinstant

x a0 x b0 x x x solvant

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b. La masse de gaz dans la bouteille est :m = M n = (12,0 + 4 1,0) 6,25 10 2 = 1,07 g.

a. La quantit de matire de gaz butane prsent dansla bouteille est :

n = m / M = 15 103/ (4 12,0 + 10 1,0)m = 2,6 102 mol.

b. la pression p= 1 000 hPa et la temprature T= 20 + 273,le volume occup par cette quantit de matire de gaz serait :V = n RT / p = 2,6 102 8,31 293/(1 000 102) = 6,3 m3.

a. La salle de classe a pour volume :V = L h = 10,0 6,5 2,9 = 1,9 102 m3.

b. Le volume de dioxygne est VO2

= 0,20 1,9 102 = 38 m3.La quantit de matire de dioxygne est par consquent :

nO2 = V/ Vm = 1,6 103 mol.

a. Une mole dair est constitue de 0,80 mol dediazote et 0,20 mol de dioxygne : la masse des molculesprsentes dans un tel chantillon est donc :

m = 28,0 0,80 + 32,0 0,20 = 29 g

Note : Dans la dfinition de la mole, il est spcifi que lon doit considrer des

entits identiques. Dans le cas de lair, il faut considrer que ces entits sont desmolcules, sans spcifier plus prcisment leur nature chimique. En effet, onne peut ajouter 3 lgumes chou + 2 lgumes carotte ; il convient dajouter 3 lgumes + 2 lgumes.

b. Considrons une mole de gaz (de masse M en g) et unemole dair (de masse 29 g). Daprs la loi dAvogadro-Ampre, on peut affirmer quaux mmes conditions de tem-prature et de pression, ces deux chantillons de mmequantit de matire occupent le mme volume. Daprs la

dfinition de la densit, on a donc d = M/ 29.c. Si le gaz a pour densit d = 0,068, alors :

M = 29 d = 2,0 g . mol 1.Le seul gaz dont la masse molaire est 2 g . mol 1 est ledihydrogne H2.d. Dans la grotte du chien, il y a du dioxyde de carbone CO2produit naturellement.La densit par rapport lair du dioxyde de carbone est :

d = 44 /29 = 1,5.Ce gaz tant plus dense que lair, il se localise au sol. Lesanimaux de petite taille qui pntrent dans cette grotte sontprivs de dioxygne et meurent asphyxis.

a. Lquation de la raction de combustion scrit :CH4 + 2 O2 A CO2 + 2 H2O

quantit de matire de gaz emprisonn et le volume de cegaz sont rests constants.c. Le ballon clate sous leffet dune forte pression sexer-ant sur lenveloppe de cuir de lintrieur vers lextrieur.d. Pour viter lclatement de ce ballon, il aurait fallu ledgonfler un peu afin de diminuer la quantit de matire den de gaz quil contient et par consquent celle de p.

a. Lquation de formation du gaz actylne est :CaC2 + 2 H2O A C2H2 + Ca(OH)2

b. On commence par dterminer la quantit de matire ndeau implique dans la raction :

n = meau/ Meau = l eauVeau/ Meaun = 1,0 5,0 10 2/ 18 = 2,8 10 3 mol.

Tableau davancement de la raction :

Dans le tableau, lavancement et les quantits de matiresont exprims en mole.Le ractif limitant tant leau, on aura :

2,8 10 3 2 xmax = 0.La quantit de matire de gaz actylne est a = 1,4 103 mol.c. La combustion du gaz actylne est :

2 C2H2 + 5 O2 A 4 CO2 + 2 H2Od. La combustion est dans les proportions stchiom-triques.Lactylne et le dioxygne tant gazeux, on peut crire :

nC2H2/ nO2 = VC2H2/VO2.

En effet, les deux gaz tant considrs comme parfaits,on a : pV C2H2 = nC2H2RT et pV O2 = nO2RT.

On obtient alors :VC2H2/ VO2 = 2/5 = 0,4.

Or, Vair= 5 VO2. On aura donc :VC2H2/(Vair/5) = 0,4 ;

soit : V C2H2/Vair= 0,4/ 5 = 0,08.

a. Les quantits de matire initiales sont :a = 1,0 mol et b = 1,5 mol.

b. Le ractif limitant est le ractif B : il est totalementconsomm par la raction chimique.On lit sur le graphe xmax = 0,5 mol.c. ltat final, on a 0,5 mol de A et 1,0 mol de C.

CaC2 2 H2O C2H2 Ca(OH)2

E.I. x = 0 a 2,8 10 3 0 0

E.F. xmax a xmax 2,8 103 2xmax 2xmax xmax

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c. Tableau davancement de la raction :

d. ltat final xmax = n = 5,5 101 mol.

La quantit de matire de gaz produit est :ngaz = (6 + 1 + 10 + 12) xmax ;

soit : ngaz = 29 5,5 101 = 16 mol.

e.La pression du gaz dans lenceinte aprs explosion est :

p = n R T / V = 16 8,31 573 / (50 10 6) = 1,5 109 Pa,soit environ 15 000 atmosphres.

Le rocher va exploser sous leffet dune telle pression.a. La quantit de matire dhydrognocarbonate de

sodium prsente dans 1,0 g de ce solide est :a = m / M = 1,0/ (23,0 + 1,0 + 12,0 + 3 16,0)

= 1,0 / 84,0 n = 1,2 102 mol.b. Tableau davancement de la raction :

c. On aura xmax = a /2 = 6,0 10 3 mol.

La composition du systme chimique lorsque lavancementest maximal sera :

0 mol de NaHCO3, 6,0 mmol de Na2CO3 , H2O et CO2.d.

Les droites ont pour quation :

n(NaHCO3) = 12 2x ;

n(Na2CO3) = n(CO2) = n(H2O) = x

a. Lquation de la raction est : N2 + 3 H2 A 2 NH3.b. Tableau davancement :

Dans le tableau, lavancement et les quantits de matiresont exprims en mole.c. Lavancement maximal est xmax = 0,66 mol.d. p0 = 6,0 RT/V0.e. Le nombre de moles de gaz est nT = 6,0 2x.f. p = (6,0 2x)RT/ V0.On a donc p = (6,0 RT /V0) (2RT /V0)x.

Il existe une relation affine entre la pression totale p etlavancement x de la raction. Le coefficient directeur estgal ( 2R T /V0).g. Cest le graphe du milieu qui convient, le coefficientdirecteur de la droite tant ngatif.

""!"$"

a. Si le gaz de la bouteille est assimilable au gazparfait, on peut crire : pV = nRT = mRT / M.La masse du gaz dans la bouteille est : m = pVM / RT.Pour e = 25 C, on obtient :

m = 15 10 5 26 10 3 58/(8,31 298) = 0,91 kg.La masse du gaz tant en ralit de 13 kg, on ne peut doncassimiler dans ces conditions le butane au gaz parfait.b. Dans tout le calcul prcdent, on a fait lhypothse quele butane est assimil au gaz parfait.Le butane est en fait partiellement sous forme de liquide, cedont on peut se rendre compte en secouant une bouteillepleine.c. Le bilan de matire doit tre effectu en quantit dematire (en mole). La relation entre la masse et la quantitde matire est utilisable. En revanche, la relation entre p, V,T et n nest utilisable que pour le gaz parfait, et nest doncpas applicable ici (voir question prcdente). La quantit de

matire du butane est donc :n = m / M = 13 10 3/ 58 = 2,2 10 2 mol.d. Tableau davancement de la raction de combustion :

2C4H10 + 13 O2 A 8CO2 + 10 H2O

4 C3H5O9N3 6 N2 O2 10 H2O 12 CO2

E.I. x = 0 n 0 0 0 0

E.F. xmax n 4 xmax 6 xmax xmax 10 xmax 12 xmax

2 NaHCO3 Na2CO3 CO2 H2O

E.I. x = 0 a 0 0 0

E.F. xmax a 2 xmax xmax xmax xmax

N2 3 H2 2 NH3

E.I. x = 0 4,0 2,0 0

E.F. xmax 4,0 xmax 2,0 3xmax 2xmax

2 C4H10 13 O2 8 CO2 10 H2O

E.I. x = 0 2 2 10 2 nO 0 0

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a. Le gaz Hlium a une densit infrieure celle delair. Le ballon va donc slever sous laction de la poussedArchimde.En effet d = 4,0/ 29 = 0,40 < 1.b. La quantit de matire de gaz Hlium est conserve. On

peut donc crire :n = p V/ RT = constante.Les conditions exprimentales imposent :T2 = T1 30 ;

V2 = 4 R23/ 3 ;

V1 = 4 R13/ 3 ;

n = (p1 4 R13/ 3) / RT1 = (p2 4 R2

3/3) / RT2 ;

p1 R13/T1 = p2 R2

3/ (T1 30) ;

p2 = p1 (R1/ R2)3 ((T1 30)/ T1) ;p1 = 1 000 (1/ 1,5)

3 (268/ 298) = 266 hPa.

c. On a toujours n = constante.

p3V3/ RT3 = p1V1/ RT1.

T3 = T1 (p3/ p1) (V3/ V1)

T3 = T1 (p3/ p1) (R3/ R1)3

T3 = 298 (200/ 1 000) (1,6 / 1)3

T3 = 244 K ;e3 = 244 273 = 29 C.

a.Aprs chauffage 100 C et vaporation totalede leau, il reste un dpt solide dans le bcher. Cedpt est constitu de solides ioniques forms delensemble des cations et des anions qui taient

prsents en solution, ainsi que de silice.

b. Quand on chauffe 180 C, les ions hydrognocarbonatese transforment chimiquement selon lquation :

2HCO3 A CO3

2 + CO2 + H2Oc. Les espces chimiques CO2 et H2O, gazeuses dans lesconditions de lexprience sont limines et la masse dursidu sec (solide) va donc diminuer.La quantit de matire dions HCO3

est :

357/ 61,0 = 5,85 103 mol.

Lavancement et les quantits de matire sont exprims en

d. La masse totale des ions en solution et de la silice dans1 L deau dEvian est :

mtot. = 357 + 4,5 + 10 + 3,8 + 5 + 1 + 78 + 13,5 = 472,8 g.e. La masse des ions carbonate obtenue par chauffage dunlitre deau dEvian sera :

m = 60,0 2,93 10 3 = 175 10 3 g = 175 mg.La diffrence de masse avant et aprs le chauffage sera de357 175 = 182 mg.Masse du rsidu sec : 473 182 = 291 mg.On lit sur ltiquette 309 mg.Le rsultat est vrifi 6 % prs.

a. La masse de leau pour un volume de 20 mL est :meau = l eauVeau = 1,0 20 = 20 g.

La quantit de matire deau est neau = 20/18 = 1,1 mol.b.

c. La quantit de matire de gaz permettant de remplirlprouvette est :

ng = V1/ Vm = 60 103

/24 = 2,5 103

mol.d. Il faut que ng = xmax = 2,5 10 3 mol.

e. On aura donc n0 = 2 xmax = 5,0 103 mol.

f. La combustion scrit :2 H2 + O2 A 2 H2O

g. La stchiomtrie sera respecte si VH2/ VO2 = 2.h. Le volume total est VH2 +VO2+ VN2= 60 mL.On a donc : 2 VO2 + VO2 + 4 VO2 = 60 mL ; soit :

VO2

= 8,56 mL et V H2

= 17 mL.

. /$

Un comprim daspirine non effervescente (aspirine duRhne). Hydrognocarbonate de sodium solide NaHCO3. Un ballon de 250 ml. Un bouchon un trou avec tube coud et tube flexible. Un interface EXAO.

Ca 2 H2O Ca(OH)2 H2

E.I. x = 0 n0 1,1 0 0

E.F. xmax n0 2 xmax 1,1 xmax xmax xmax

2HCO3 CO2 CO3

2 H2O

E.I. x = 0 5,85 10 3 0 0 solvant

E.F. xmax 5,85 10 3 2 xmax xmax xmax solvant

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Le programme de Seconde se limitait la dissolutiondespces chimiques molculaires conduisant des solutionsmolculaires; les solutions ioniques ntaient envisages quedans le cas dune dilution. On aborde ici la dissolutiondespces chimiques ioniques ou molculaires, conduisant des solutions ioniques appeles solutions lectrolytiques.Outre des notions tudies en Seconde et revues en partiedans le chapitre 1, comme lutilisation du tableau davance-ment, le prsent chapitre rinvestit des connaissancesacquises en Physique : interaction lectrique, loi deCoulomb, caractre conducteur de certains matriaux. Ilouvre la voie ltude de la conductimtrie (chapitre 4).Ce chapitre est ax sur deux notions essentielles.Lexplication du fait que des solutions ioniques puissent treobtenues par dissolution despces chimiques molculairespasse par lintroduction du caractre dipolaire dune mol-cule. Il faudra ensuite prsenter le phnomne de solvata-

tion des ions, puisque lnergie quil met en jeu est nces-saire pour quune dissolution ait lieu.Ltude des diverses ractions chimiques rencontres (pr-cipitation, dissolution) sappuie sur la construction et lex-ploitation dun tableau davancement.Le cas des lectrolytes faibles, cest--dire dune mise ensolution saccompagnant dune transformation chimiquenon totale (solution dacide thanoque par exemple), nestpas envisag en classe de Premire.

Les activits de dcouverte proposes avant le cours ontpour but de familiariser llve avec les notions de solideionique (soluble ou non), et de solution aqueuse ionique.Les activits dexploitation qui suivent le cours font inter-venir des gaz : dissolution dun gaz dans leau, prcipitation(applique en particulier la reconnaissance dions en solu-

De faon gnrale, une molcule est polaire si elle prsentedes liaisons polarises et si sa gomtrie est telle que lesbarycentres des charges partielles positives et ngatives neconcident pas. Nous avons convenu dutiliser le terme decharges partielles, et non pas simplement charges, pour vi-ter toute confusion avec des ions ou avec la charge l-mentaire.On entend par charge partielle une charge lectrique fic-tive, dont la valeur absolue (sans importance ici), souventinfrieure la valeur de la charge lmentaire, dpend dela diffrence dlectrongativit des atomes lis.On fera remarquer aux lves que la tendance pour unatome acqurir une charge partielle peut, comme sa ten-dance devenir un anion ou un cation, se dduire de laposition de llment chimique correspondant dans la clas-

sification priodique.La notion hors programme de moment dipolaire nest pasaborde.

Note : Il nest fait rfrence aucune chelle dlectrongativit. Il peut cepen-dant tre utile au professeur de savoir que lon peut considrer grossirementquune liaison est covalente pure si la diffrence dlectrongativit entre lesatomes lis est infrieure 1, covalente polarise pour une diffrence compriseentre 1 et 2, et ionique au-del.

3!" 4 !Une des particularits de ce chapitre est lintroductiondune notation prcisant ltat physique des espces chi-miques considres : (s) pour un solide, ( ) pour un liquide,(g) pour un gaz. De mme, lindice (aq) est introduit pourindiquer la solvatation des ions ou des molcules en solu-tion aqueuse.

Lemploi des notations (s), ( ) et (g) la suite dune formulechimique, indiquant ltat physique dune espce chimique,concerne donc le niveau macroscopique uniquement. Ainsi,quand on voque une molcule deau (niveau microsco-pique), on ne met pas dindice. En revanche, lindice (aq) at utilis aussi bien pour un ion ou une molcule sol-vat(e) (niveau microscopique) que pour lensemble des

Solutions ioniques2

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On remarque que les cristaux de permanganate de potas-sium et la solution, prpare en mlangeant lespce chi-mique correspondante de leau distille, ont la mme cou-leur.

Note : Les cristaux ioniques et la solution ionique correspondante possdent

les mmes ions et en mme quantit (mme masse) : il y a conservation de lamatire lors dune dissolution.

On interprte la dispersion de la couleur par la dispersiondes ions contenus dans les cristaux lors de leur disparition.Cela signifie galement que certains ions (mais pas tous lesions prsents, puisque certains sont incolores) sont respon-sables de la couleur de la solution.

Les cristaux de chlorure de potassium KCl(s) sont blancs.On observe la disparition des cristaux blancs de chlorurede potassium, la solution ionique obtenue est incolore.

Daprs ce qui prcde, ni les ions chlorure ni les ionspotassium sont responsables dune coloration particulirepuisque la solution de chlorure de potassium est incolore.On en dduit donc que seul les ions permanganate sontresponsables de la coloration violette dune solution de per-manganate de potassium.

Reprsentation en deux dimensions :

) La rpartition des ions dans le cristal est ordonne(rpartition rgulire et rptitive) alors que dans la solu-tion ionique elle est alatoire. De plus, les ions sont aucontact dans le solide et sont disperss en solution.

Note : On verra plus loin une troisime diffrence : les ions sont solvats ensolution alors quils ne le sont pas dans le solide ionique (sauf pour certains soli-

des hydrats).

5

Cette deuxime activit se propose de rappeler pourquoi

aucune confusion possible. Ainsi, il nest pas ambigu d-crire la solution aqueuse de chlorure de sodium Na + + Cl

au lieu de Na+(aq) + Cl

(aq), car dune part on indique quil sa-git dune solution, et dautre part lcriture Na+ + Cl neconcerne que la solution et pas le solide.En revanche, dans le cas dune solution de diiode, il fautcrire solution de diiode I 2(aq) bien que le mot solution soitprsent, car lcriture I2 concerne la fois lespce chimiquesolide (que lon notera I2(s)) et la solution, elle est doncambigu.Lutilisation des indices prend une importance capitale auchapitre 10, o lon tudie lnergie mise en jeu lors dunetransformation chimique : cette nergie dpend en effet deltat physique des ractifs et des produits, qui doit tre

imprativement prcis.Remarques : Lion H+(aq) se note aussi H3O

+ (ion oxonium). En solution alcoolique, on adopte lindice (alc).Exemple : Ag+(alc) (cf. page 188). Dans le cas dun atome isol ou dune molcule isole, ilny a pas dtat physique prciser.Exemple : atome H, atome Cl, molcule HCl.Par contre, pour un gaz datomes dhydrogne, on crira H(g)

(cf. page 222).

#

Lobjectif de cette premire activit est de faire le lien entrela dispersion de la couleur et la dispersion dentits chi-miques lors de la dissolution dune espce chimique dansleau.Cette activit sappuie sur lobservation de la dissolution dedeux composs colors. Il sagit de comprendre quunesolution ionique peut tre obtenue par dissolution dans

leau despces chimiques solides et que les ions prsentsen solution prexistaient dans lespce chimique ioniqueavant sa mise en solution.On insistera particulirement sur la relation entre la disper-sion des ions et celle de la couleur en faisant remarquer quecette dernire est souvent, mais pas toujours, apparente

ll d lid tt i il t i t t d li

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Les porteurs de charges qui assurent le passage du cou-rant dans leau sale sont les ions sodium Na+ et les ionschlorure Cl.

Une solution qui conduit le courant lectrique est unesolution contenant des ions, et rciproquement.

Cette activit sintresse aux solides ioniques et aux solu-tions aqueuses correspondantes. Elle utilise le modle dessolides ioniques qui a pour principal objectif de rinvestir

les notions, concernant des notations, dj introduites enclasse de Troisime et de Seconde. Construite comme unesance de travaux dirigs en classe entire, elle doit per-mettre llve de vrifier quil matrise bien les prrequisindispensables pour aborder sereinement un cours dlicat.On en profitera pour vrifier de nouveau si la notion de cou-leur dune solution a t comprise.

De mme que lion carbonate CO32 est constitu, selonlnonc 1, dun atome C et de trois atomes O, lion sulfateest constitu dun atome S et de quatre atomes O. Lenombre de charges lmentaires est 2, comme pour lioncarbonate de lnonc 1.

Latome de baryum, appartenant la famille des alcalino-terreux, a deux lectrons sur sa dernire couche et a ten-dance les perdre pour satisfaire la rgle de loctet en

devenant le cation baryum Ba2+. Daprs lnonc 2, lescharges des ions constituant le sulfate de baryum doiventse compenser. Lion baryum portant, comme lion sulfate,deux charges lmentaires, il faut un ion baryum par ionsulfate pour que lensemble soit lectriquement neutre.

La formule du sulfate de cuivre hydrat est :CuSO4 , 5 H2O(s).

La formule du chlorure de cuivre (anhydre) est : CuCl2(s).La formule du chlorure de cuivre hydrat est :

CuCl2 , 2 H2O(s).

Pour la solution de sulfate de cuivre prpare partir dusolide anhydre et/ou hydrat :CuSO4(s) A Cu

2+(aq) + SO4

2(aq).

Pour la solution de chlorure de cuivre prpare partir dusolide anhydre et/ou hydrat :

CuCl2(s) A Cu2+

(aq) + 2 Cl

(aq).

La dissolution dune mole de sulfate de cuivre (anhydreet/ou hydrat) dans leau engendre la formation dune moledions cuivre et dune mole dions sulfate.

La dissolution dune mole de chlorure de cuivre (anhydreet/ou hydrat) dans leau engendre la formation dune moledions cuivre et de deux moles dions chlorure.

Les solutions de chlorure de potassium et de sulfate desodium tant incolores, on en dduit que les ions K+(aq),Na+(aq), Cl

(aq) et SO4

2(aq) ne contribuent pas la couleur des

solutions. Lnonc 4 permet den dduire que les ionsFe3+(aq) contribuent la coloration orange de la solution et

que les ions Cu2+

(aq) contribuent la couleur bleue. Demme, on en dduit que les ions MnO4

(aq) confrent lasolution sa couleur violette.

+ +

Le modle des ions qui sassocient en solution concerneles ractions chimiques de prcipitation, souvent utilisespour tester la prsence dun type dion en solution aqueuse.Lexpression ions qui sassocient en solution remplaceavantageusement ions incompatibles , terme qui se ren-contre parfois et qui peut prter confusion. Il sagit dunmodle simple, bas sur un petit nombre dnoncs qui, cer-

tes, font intervenir quelques approximations.Cette activit doit faire prendre conscience aux lvesquune solution ionique ne contient que des ions pouvantcoexister en solution, et que si, par mlange de solutionslectrolytiques, on met en prsence des ions qui ne peuventpas coexister en solution, alors ceux-ci vont sassocier pourformer un solide appel prcipit Lidentification des ions

AnionsCations Cu2+ Al3+ K+

Cl CuCl2 AlCl3 KCl

PO43 Cu3(PO4)2 AlPO4 K3PO4

HO Cu(OH)2 Al(OH)3 KOH

CO32 CuCO3 Al2(CO3)3 K2CO3

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Le filtrat est la solution initiale : la constitution na paschang (nonc 2).

Le systme comporte deux anions et deux cations. Lesassociations anion-anion ou cation-cation sont impossibles,llectroneutralit devant tre respecte (nonc 1).

Les associations anion-cation susceptibles de se faire sont :Na+ et NO3, Na+ et Cl, Ag+ et NO3

, Ag+ et Cl.

On peut immdiatement rejeter lventualit des asso-ciations Na+ et Cl, et Ag+ et NO3

puisque ce sont les solu-tions initialement utilises, donc les ions qui les constituentcoexistent en solution (nonc 5). Les solutions de nitratede sodium existent : les ions Na+ et NO3

coexistent doncet ne sassocient pas en solution (nonc 5). Le prcipit estdonc constitu par lassociation des ions Ag+ et Cl : cestun prcipit de chlorure dargent AgCl (nonc 4). Le bcher contient un prcipit form par lassociationde trois ions Ag+ et trois ions Cl et une solution contenantquatre ions Na+, trois ions NO3

et un ion Cl.

La poudre de chlorure dargent ne disparat pas dansleau : elle est insoluble dans leau puisquelle est constituedions Ag+ et Cl dont on a montr la question prcdentequils sassocient en solution. On ne peut dissoudre unsolide ionique constitu dions qui ne peuvent coexister en

solution (nonc 4). Dans le tube 1 ont t introduits les ions Fe2+, Cl, Na+et HO. Les ions susceptibles de sassocier en solution sontNa+ et Cl, et Fe2+ et HO (noncs 1 et 5). Or la solution dechlorure de sodium Na+ + Cl existe. Donc les ions qui sas-socient en solution pour former le prcipit sont Fe2+ etHO.De mme, dans le tube 2, les ions Fe3+ et HO sassocient ensolution. Dans le tube 3 : Zn2+ et HO-. Dans le tube 4 : Cu2+

et HO. Les quations chimiques reprsentant les ractions deprcipitation sont les suivantes (nonc 1) : Tube 1 : Fe2+ + 2 HO A Fe(OH)2, prcipit vert dhydro-xyde de fer . Tube 2 : Fe3+ + 3 HO A Fe(OH)3, prcipit orang dhydro-

Cette activit exprimentale sintresse en premier lieu auxsolides ioniques, solubles ou insolubles dans leau, et utilisele modle des ions qui sassocient en solution prsent lorsde lactivit 4.Lassociation de certains ions en solution, conduisant la for-mation de prcipits, est mise profit pour raliser des testsde reconnaissance dions, ici les ions sulfate et chlorure.

La troisime partie est loccasion de construire un tableaudavancement pour effectuer un bilan de matire. Elle per-met, de mme que la dernire partie, de rinvestir lesnotions de ractif limitant et ractif en excs, voques enfin de Seconde.Les approximations que sous-entend lutilisation des termessolides solubles ou insolubles seront rendues lgitimes iciencore par lutilisation despces chimiques trs solubles(sulfate de sodium, chlorure de sodium) ou quasi-insolubles(sulfate de baryum) dans leau.On remarquera que tout test mettant en jeu une raction deprcipitation est un test de reconnaissance commun auxdeux sortes dions qui sassocient en solution.Rappelons que le test des ions chlorure (au moins) a djt ralis en classe de Troisime. Il est cependant rare-ment acquis quun prcipit est une espce chimique solide,ou quune solution de chlorure de sodium sobtient par dis-

solution dans leau de chlorure de sodium solide et non pasen mlangeant des ions chlorure et des ions sodium

Dans les tubes 1 et 2, on obtient une solution homo-gne; les solides introduits disparaissent, ils sont solublesdans leau. Les ions qui les constituent ne sassocient pas ensolution.Dans le tube 3, le sulfate de baryum reste visible; il est doncinsoluble dans leau.Les ions Ba2+ et SO4

2 sont des ions qui sassocient en solu-tion.

Contenu du tube 1 : solution de sulfate de sodium2 Na+ + SO4

2 (ions Na+, SO42 et molcules deau).

Contenu du tube 2 : solution de chlorure de sodium

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Lquation de la raction est la suivante :

Ba2+ + SO42 A BaSO4

prcipit blanc

Le test qui permet de caractriser des ions Ba2+(aq) ensolution consiste rajouter des ions SO4

2(aq).

Dans un tableau davancement, les quantits dematire et lavancement sont exprims en mole.

Lavancement maximal correspond la disparition, entotalit, de lun des ractifs appel ractif limitant.Si les ions Ba2+ disparaissaient en totalit :5,0 10 3 xmax = 0, soit xmax = 5,0 10

3 mol mais la quan-tit de matire de SO4

2 serait ngative, ce qui ne convientpas. Donc ce sont les ions SO4

2 qui disparaissent en tota-lit : 4,0 10 3 xmax = 0, soit xmax = 4,0 10

3 mol et ilreste 1,0 103 mol Ba2+.La masse du prcipit est :

m = n M = 4,0 103 233,4 = 0,93 g. Dans le filtrat, sont prsents les ions Ba2+ restants(1,0 10 3 mol) ainsi que les ions qui ne sont pas inter-venus dans la raction chimique : Na+ en quantit doublede celle des ions SO4

2 introduits (pour respecter llec-troneutralit de la solution de sulfate de sodium) soit8,0 10 3 mol, et Cl en quantit double de celle des ionsBa2+ introduits (pour respecter llectroneutralit de la solu-

tion de chlorure de baryum), soit 1,0 10

2

mol. Les masses doivent tre voisines. Une masse expri-mentale plus grande que la masse thorique peut provenirdun schage insuffisant du prcipit. Plus petite, il peut yavoir eu des pertes (bcher mal rinc).

+ On observe la formation dun prcipit blanc (quidevient gristre la lumire).

On a introduit dans le tube 2 des ions Na+, Cl, Ag+ et

NO3

. Puisque seuls les ions Ag+

et Cl

sassocient en solu-tion, ils constituent le prcipit de chlorure dargent AgClquon observe et quon rcupre dans le filtre.Le filtrat contient les ions Na+, NO3

et les ions Cl en excsen solution aqueuse.Aprs filtration, lajout au filtrat de quelques gouttes desolution de nitrate dargent conduit encore lobtention

. * +

Cette activit permet de rinvestir des connaissances acqui-ses en classe de Seconde sur le comportement dun gaz,

lchelle macroscopique et lchelle microscopique.Elle se termine par un calcul de quantit de matire et deconcentration molaire, utilisant lquation dtat du gaz par-fait. Ce calcul peut paratre quelque peu difficile et dcon-certant, puisque la seule valeur numrique utilise est celledu volume molaire dun gaz.Lexprience sur laquelle llve est invit rflchir na riendoriginal : il sagit de la traditionnelle exprience de disso-lution dun gaz dans leau, appele exprience du jet deau .

La trompe eau voque dans le paragraphe 1. constitueun dispositif que llve doit connatre et quil sera amen utiliser dans des activits exprimentales, ce qui ne pr-sente dailleurs aucune difficult particulire.Le calcul qui termine cette activit fait intervenir lquationdtat du gaz parfait et le volume molaire du gaz, mais ni lanature du gaz dissous, ni le volume du ballon utilis, ni levolume de solution obtenu dans le ballon en fin dexp-

rience nentrent en jeu.Dans cette activit, qui suit le cours, on veillera indiquerltat physique des espces chimiques ou entits envisages.

La trompe eau diminue la pression du gaz du rci-pient auquel elle est relie.

La pression du gaz contenu dans le ballon diminue cause de laspiration par la trompe eau. Cette pression

tant infrieure la pression atmosphrique, leau montedans le ballon.La trompe eau dplace et entrane hors du ballon lesmolcules constituant lair contenu dans le ballon. Cesmolcules, par leur agitation et les chocs sur la surface deleau, empchaient leau de monter dans le ballon. Le nom-bre de molcules dans le ballon diminuant, il y a moins dechocs et leau monte, pousse par les chocs des molculesde lair de la salle sur la surface libre de leau du cristallisoir.

Dans le tube essais a lieu la raction chimiquedquation : H+(aq) + Cl

(aq) A HCl(g)

Un gaz est produit. Ce gaz arrive au contact du papier-pHmouill ; il sy dissout selon la raction dquation :

HCl(g) A H+

(aq) + Cl

(aq)

Les ions H+( ) sont responsables du changement de couleur

Ba2+ SO42 BaSO4

E.I. x = 0 5,0 103 4,0 103 0

E.F. xmax 5,0 103 xmax 4,0 10

3 xmax xmax

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16/102

Le schma prcdent reprsente le systme chimique avantla dissolution du chlorure dhydrogne. En noir et en grisfigurent les molcules constituant lair (N2 et O2 respec-tivement) toujours prsentes dans la phase gazeuse duballon.

Le schma ci-dessus reprsente ltat du systme aprs ladissolution. Leau est monte dans le ballon et les molculesse sont dissocies; on a des ions en solution.

) Lors de la dissolution dans leau du chlorure dhydro-gne, les molcules de chlorure dhydrogne se sont disso-cies en ions : HCl(g) A H

+(aq) + Cl

(aq)

Pour prouver la prsence dions en solution, on pourraitmontrer que la solution conduit le courant lectrique.Un test utilisant une solution de nitrate dargent permettraitde mettre en vidence la prsence dions Cl(aq).Un test au papier-pH permettrait de mettre en vidence laprsence dions H+(aq) (cf. 2. a.).

Le ballon ne sest pas totalement rempli puisque lair,initialement prsent occupe toujours un certain volume (il

ny a pas de systme daspiration).! Dans la phase gazeuse du ballon de volume V, avantlaspiration, la quantit de matire de gaz est n = pV/ RT.En supposant que la pression et la temprature sont lesmmes en dbut et en fin daspiration, la nouvelle quantitde matire restant en phase gazeuse est :

nrestant = p(V V )/RT,o V est le volume deau aspir. La quantit de matire ndu solut HCl dissous est donc n = n n

restant

= pV /RT.

c. Seule linteraction attractive peut justifier la cohsion ducristal.d. Le solide (mme ionique) nest pas conducteur.e. La formule est CaF2.

a. Iodure de potassium : KI(s) A K+

(aq) + I

(aq).

b. Carbonate de sodium : Na2CO3(s) A 2 Na+(aq) + CO32(aq).

c. Nitrate de zinc : Zn(NO3)2(s) A Zn2+

(aq) + 2NO3

(aq).

d. Sulfate daluminium :

Al2(SO4)3(s) A 2 Al3+

(aq) + 3SO42

(aq).

e. Chlorure dammonium : NH4Cl(s) A NH4+

(aq) + Cl

(aq).

f. Chlorure de baryum : BaCl2(s) A Ba2+

(aq) + 2Cl(aq).

g. Phosphate de potassium : K3PO4(s) A 3K+(aq) + PO43(aq).h. Bromure de cuivre : CuBr2(s) A Cu

2+(aq) + 2Br

(aq).

a. Chlorure de calcium.

CaCl2(s) A Ca2+

(aq) + 2 Cl

(aq)

b. Hydrognocarbonate de sodium.NaHCO3(s) A Na

+(aq) + HCO3

(aq)

c. Sulfate daluminium.Al2(SO4)3(s) A 2 Al3+

(aq) + 3 SO42

(aq)

d. Phosphate de zinc.Zn3(PO4)2(s) A 3 Zn

2+(aq) + 2 PO4

3(aq)

e. Dichromate de potassium.K2Cr2O7(s) A 2 K

+(aq) + Cr2O7

2(aq)

a. FeCl3(s).

b.Ag2SO4(s).c. KNO3(s).d. Ca3(PO4)2(s).

a. Lquation chimique de la dissolution :AlCl3(s) A Al

3+(aq) + 3 Cl

(aq)

b. Lavancement et les quantits de matire sont exprimsen mole :

c. Aprs dispersion des ions, il y a une mole dions Al3+ et

AlCl3(s) Al3+(aq) 3 Cl(aq)

E.I. x = 0 1 0 0

E.F. xmax 1 xmax xmax 3xmax

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d. Lavancement et les quantits de matire sont exprimsen mole :

ltat final, il reste :n(Mg(C2H3O2)2) = 0 mol ;

n(Mg2+) = mol ;

n(C2H3O2) = 1,0 103 mol.

e. Raisonnons pour un litre :mMgCl2 = n M = 0,5 10

3 203,31 = 0,10 g.

1. a.Ag+(aq) + NO3

(aq) ; K+

(aq) + NO3

(aq) ;

Pb2+(aq) + 2NO3(aq) ; K

+(aq) + I

(aq) ; 2 K

+(aq) + SO4

2(aq).

b. Exprience 1 : prcipit diodure dargent AgI (la solutionde nitrate de potassium existe).Exprience 2 : prcipit de sulfate de plomb PbSO4 (la solu-tion de nitrate de potassium existe).2.Ag+(aq) + I

(aq) A AgI(s). Les ions qui ne participent pas

la raction sont K+ et NO3

.Pb2+(aq) + SO42(aq) A PbSO4(s). Les ions qui ne participentpas la raction sont K+ et NO3

.

a. Les ions susceptibles de sassocier sont Na+ et SO42,

ou Fe3+ et HO.b. On observe un prcipit dhydroxyde de fer Fe(OH)3(s).Lquation de la raction est :

Fe3+(aq) + 3HO

(aq) A Fe(OH)3(s)

c. On a caractris lion Fe3+

(aq). Un test similaire utilisant unesolution dhydroxyde de sodium permet de caractriser lesions Fe2+(aq) (prcipit vert), les ions Cu

2+(aq) (prcipit

bleu)

1. a. b.

2. a. Lquation chimique de la dissolution est :

1. a. Lquation chimique de la dissolution est :HNO3( ) A H

+(aq) + NO3

(aq)

b. La molcule est dipolaire puisquelle est dissocie et sol-vate par un solvant polaire (leau).c.

ltat final, il reste :

n(HNO3) = 0 mol ;

n(H+) = n mmol ;

n(NO3) = n mmol.

Daprs la stchiomtrie de lquation chimique de la dis-solution de lacide nitrique, quel que soit le volume dacidedissous, les quantits dions forms sont gales.

a.Reprsentation de Lewis Gomtrie

b. Oui, toutes les liaisons N H (N plus lectrongatif que H).c. Oui, la molcule est dipolaire car les barycentres descharges partielles positives et ngatives ne concident pas.

d. Lammoniac et leau sont deux espces chimiques cons-titues de molcules dipolaires.

""!"$"1. Un ion Na+ a six voisins Cl, un ion Cl a six voisins

Na+.2. a. F = k = 4 1010 N.

10e2

e2

(a 2)2

Mg(C2H3O2)2(s) Mg2+

(aq) 2 C2H3O2(aq)

E.I. 0 5,0 104 0 0

E.F. xmax 5,0 104 xmax xmax 2xmax HNO3( ) H+(aq) NO3(aq)

E.I. 0 n 0 0

E.I. x n x x x

E.F. n 0 n n

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b. Un ion Cs+ (au centre) et un de ses plus proches voisinsCl (au sommet) sattirent puisque le signe de leur chargeest oppos.2. La valeur de linteraction coulombienne entre un ion etlion de mme signe le plus proche est : F= 5,4 109 N.La valeur de linteraction coulombienne entre un ion et lionde signe oppos le plus proche est : F = 7,2 109 N.

1. a. Loi de Coulomb : F = kqqv/ d2.b. Soient : F1 la valeur de la force dinteraction diple-ion Li

+ ; F2 la valeur de la force dinteraction diple-ion Na

+ ; F3 la valeur de la force dinteraction diple-ion K

+.La distance entre les charges q et b (considres commeponctuelles) est au minimum gale au rayon de lion. Cettedistance est plus faible pour Li+ que pour Na+ et plus faiblepour Na+ que pour K+. Or la valeur de la force dinteractionaugmente quand la distance diminue.Donc F1 F2 F3.Plus le rayon ionique est petit, plus la force dinteraction estgrande (et plus le phnomne de solvatation est important).c. Soient F1v, F2vet F3vles valeurs des forces dinteractiondiple-ion Na+, diple-ion Ca2+ et diple-ion Tl3+ respecti-

vement (F1v= F2). Si les distances entre charges, trs voisi-nes dans les trois cas, sont notes d :

F1v= kqb / d2 F2v= 2k qb/ d

2 F3v= 3k qb/ d2

Donc F3v= 3F1v, F2v= 2F1v

et F1v F2v F3v.

Plus la charge est grande, plus la force dinteraction estgrande (et plus le phnomne de solvatation est important).2. a. Les structures lectroniques sont les suivantes :Na : (K)2(L)8(M)1

Mg : (K)2(L)8(M)2

Al : (K)2(L)8(M)3

b. Les formules des ions sont Na+, Mg2+ et Al3+.c. Dans cet ordre des ions, le rayon ionique diminue et lacharge lectrique augmente. Donc la valeur de la force din-teraction augmente.

1. a. Les atomes O et H ont des lectrongativitsdiffrentes : les liaisons O H sont polarises. La gomtriede la molcule (triangle) est telle que les barycentres descharges partielles positives et ngatives ne concident pas.b. Lexprience du jet deau permet de constater la solubilitdun gaz dans leau, un jet deau se formant du fait dune

De faon gnrale, un solvant dipolaire dissout des espceschimiques dont les molcules sont dipolaires.

Note : Il y a des exceptions

d. On ralise un circuit lectrique. Si un courant circule, lasolution est une solution ionique. La solution de chlorure

dhydrogne contient des ions H+

(aq) et Cl

(aq).2. a. Les molcules dthanol et dacide sulfurique sontdipolaires. Les molcules de cyclohexane sont apolaires.b. La solution dacide sulfurique contient des ions H+(aq) etSO4

2(aq). La solution dthanol contient des molcules

dthanol C2H6O.c. Par dissolution dans leau dune espce chimique consti-tue de molcules dipolaires, on nobtient pas forcmentune solution ionique (exemple : thanol).

- , +

Sulfate de sodium en poudre. Chlorure de sodium en poudre. Sulfate de baryum en poudre. Solution de sulfate de sodium 0,20 mol L1. Solution de chlorure de baryum 1,0 mol L1. Solution de nitrate dargent (pas trop concentre : envi-ron 0,1 mol L1). Spatules.

Trois tubes essais et leurs bouchons. Une pipette simple. Un bcher (de 100 ml). Une pipette jauge de 20 ml. Une pipette jauge de 5 mL. Un dispositif daspiratipon pour pipette. Un entonnoir avec son support et deux filtres. Deux bchers pour recueillir les filtrats.

Une baguette de verre (agitateur). Une tuve ou un sche-cheveux. Une balance au cg.

. *+

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Lobjectif du chapitre est dintroduire la (on devrait dire les ) notion de concentration ionique. Dans ce chapitre,llve va distinguer la concentration en solut apport etla concentration effective dions en solution. Centrales dansla partie du programme relatif la mesure, ces notions vonttre mises au service des calculs de bilans de matire dansle cas de ractions chimiques mettant en jeu des ions. Ellesseront utiles dans les chapitres suivants, en particulier dansle chapitre 7 relatif aux titrages.La construction de ces nouvelles connaissances sappuieprincipalement sur des notions supposes dj acquises : la concentration dun substrat molculaire (classe deSeconde) ; la quantit de matire de composs ioniques (chapitreprcdent) ; la raction chimique et les calculs de bilan de matire

(classe de Seconde et chapitre 1).Toutes ces notions sont trop dlicates pour pouvoir treconsidres comme rellement acquises et le travail de cechapitre a galement le rle de les consolider. Il ne faudrapas hsiter y consacrer du temps.

#)) 4La vie quotidienne prpare un peu la notion de concen-

tration dans le cas de composs molculaires (par exempleavec le nombre de personnes dans une pice, le nombre devoitures sur une route, etc.). En revanche, elle ne prparepas, ou peu, la notion de concentration de compossioniques, et en particulier aux difficults inhrentes la dis-tinction entre concentration en solut apport et concen-

plus. Quant la notion de concentration effective en ion,elle sme le trouble, car les concentrations effectives en ionne sont pas forcment identiques pour les diffrents ionsdune mme espce chimique. Ainsi, dans une solution dechlorure de fer (III), la concentration en ions fer est troisfois plus petite que celle en ions chlorure.Nous nous sommes efforcs de respecter deux notations

diffrentes pour ces grandeurs : c pour le solut apport et[X] pour chaque ion. Alors quen classe de Seconde, cesnotations reprsentent la mme chose [glucose] = cglucose, ilnen nest plus de mme et cCuCl2 est diffrent de [Cl

].Pour vaincre ces difficults, nous avons organis un certainnombre dactivits qui mettent en jeu diffrents aspects dela concentration. De plus, le cours reprend sur un exemplesimple, que nous pensons suffisamment gnral (le cas de

CuCl2), les calculs qui reviennent frquemment et les repr-sentations microscopiques qui leur donnent du sens.

7 Le point de dpart pour introduire la diffrence entreconcentration en solut apport et concentration effectivedes ions en solution est la situation de dissolution duncompos ionique. Le chapitre prcdent a montr que lon

traite ce processus comme une quation chimique dont lebilan de matire fournit les quantits de matire de chacundes ions en fonction de la quantit de matire en solut.Lutilisation de la relation c = n/V connue depuis la classede Seconde permet dintroduire la concentration en solutapport. Mme si cest la mme relation que dans le cas descomposs molculaires (I2, glucose, etc.), une diffrence detaille intervient : le solut ionique nest plus prsent en solu-tion, et on parle cependant de sa concentration. La situa-

tion est dautant plus dlicate que la reprsentation de ladispersion du grand nombre dions qui constituent le cris-tal est difficile construire pour les lves.La concentration molaire effective de chaque ion utilise lamme relation [X] = nX/V, mais la grandeur nX se rapporte une notion nouvelle pour llve, celle de concentration

Concentrationsdune solution ionique3

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dissoute ne permet pas elle seule de caractriser une solu-tion. Pour cela, quelques questions sont poses propos desolutions colores de concentration diffrentes.

Lors de lobservation de la Fig. 1, on constate que

la solution de la Fig. 1 a est plus colore que celle dela Fig. 1 b.

Point de vue macroscopique :Les points communs entre ces deux expriences sont :mme solvant (eau), mme masse de KMnO4 dissoute,mme rcipient.Les diffrences entre ces deux expriences sont : volumesde solvant utiliss diffrents, couleurs des solutions utili-ses diffrentes.Point de vue microscopique :Il y a autant dions dans les deux solutions (cest un pointcommun), mais ces ions sont plus loigns les uns desautres, cest--dire plus disperss dans la deuxime solutionque dans la premire.

Llve peut avoir le choix. Il voit bien que ni la masse, nila quantit de matire ne peuvent caractriser une solutionpuisque, dans ce cas, les masses de KMnO4 mises en jeu

(donc les quantits de matire) sont identiques alors que lessolutions obtenues sont diffrentes. Llve peut choisirentre les propositions masse de KMnO4 par unit devolume et quantit de matire de KMnO4par unit devolume .

% 89! -

Les lves ont utilis des solides ioniques dans le chapitreprcdent. Ils dcouvrent ici les cristaux ioniques au traversde leur structure ordonne et de leur mise en solution. Ils seconstruisent ainsi une reprsentation microscopique de ladispersion des ions constituant les cristaux lors de leur dis-solution. Cela doit les aider aborder plus facilement lanotion de concentration effective des ions en solution.

Le cristal reprsent contient dix-huit ions Cl et autantdions Na+. Llectroneutralit du cristal a donc t prise encompte.

Lion Na+ central possde six ions Clvoisins immdiats.

prennent en charge les deux types de mlanges rencontrsen cours, de mme que de nombreux exercices proposs.La dtermination de concentrations lors de mlanges sansraction chimique ncessite galement que lon soit bienclair sur les volumes prendre en compte dans les calculs.Trois volumes interviennent lors dun mlange, celui des

solutions initiales et celui de la solution finale. Llve quiutilise de faon automatique la relation c = n/V passe rgu-lirement ct du fait quil ny a pas quun volume V, maisV1, V2 et V1 + V2 . Les schmas du cours insistent bien surce point dlicat.Lorsquune raction chimique intervient lors du mlange, ilfaut raliser un bilan de matire avant de rpondre laquestion sur la concentration. Cela fait intervenir untableau davancement et la dtermination du ractif limi-tant. Cest une difficult importante qui dpasse largementla comprhension de la relation de dfinition de la concen-tration. Par ailleurs, les lves peu habitus traiter desbilans de matire faisant intervenir des ions peuvent sen-combrer de la prsence des ions spectateurs dans lqua-tion de la raction tudie. Il faut y prendre garde.Les notions de limite de solubilit lors de la dissolution duncompos ionique, et par consquent le cas des prcipitations

non totales, ne sont pas au programme. On reste donc dansltude de cas particuliers. Il faut en tre conscient et ne pasproposer dexemples qui ne correspondraient pas ces cas.

- & !Lactivit 1 permet de revenir sur le lien entre concentra-tion et quantit de matire et de faire rflchir llve surles grandeurs qui se conservent lors dune mise en solution.

Lactivit 2 rinvestit les notions sur les cristaux ioniquesvues au chapitre 2. Il sagit ici de se placer deux niveauxde reprsentation, le cristal ionique et la solution issue desa dissolution.Les activits 3 et 4, pages 53 et 54, sont loccasion dintro-duire la notion de concentration dun ion dans une solutionionique. On travaille dans lactivit 3 avec une solution dontla stchiomtrie nest pas 1:1. Ainsi, les quantits dematire des ions et leurs concentrations en solution ne sont

pas gales. Cette proprit est souvent difficile compren-dre pour les lves puisquelle dbouche sur une non-ga-lit de la concentration en solut apport et des concentra-tions des ions en solution.Lactivit 4, page 54, utilise une chelle de teintes que leslves doivent construire. Ceci permet une rvision et une

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Cette activit a pour but de rutiliser la mthode de prpa-

ration dune solution de concentration donne (vue enSeconde) dans le cas de la dissolution dun solide ioniqueet damener llve distinguer les concentrations effecti-ves des ions en solution de la concentration en solutapport.Cest aussi loccasion de distinguer prcipit et solution, etde faire linventaire des ions prsents dans une solutionaprs quune raction ait eu lieu, selon le ractif en excs.Le calcul prliminaire du paragraphe 1.peut avoir t faitsous forme dexercice avant le T.P. Il faudra que llvepense tenir compte, lors du calcul de la masse molaire, dufait que le solide est hydrat.Le paragraphe 2.permet la distinction solution-prcipit etdonne en outre loccasion de rinvestir la notion dlmentchimique et sa conservation (exemple de llment chi-mique cuivre ici). La partie 3. introduit les diverses concen-trations matriser dans la suite, ainsi que leurs notations

habituelles.

On utilise une fiole jauge de 100 mL munie dunbouchon, une balance lectronique (au cg), une coupelle etune spatule, une pissette deau distille et un entonnoir solide.On introduit dans la coupelle, pose sur la balance tare,une masse m de chlorure de cuivre en poudre au moyen

dune spatule.On verse dans la fiole jauge, munie dun entonnoir, lecontenu de la coupelle puis on rince la coupelle et lenton-noir leau distille, leau de rinage scoulant dans la fiolejauge. On remplit la fiole jauge moiti deau distille, onbouche et on agite.On complte leau distille jusquau trait de jauge, onbouche et on agite de nouveau. La solution est prte.

La quantit de matire de chlorure de cuivre ncessairepour prparer la solution est :

n = cV = 5,0 10 2 100 10 3 = 5,0 10 3 mol.

La masse molaire du chlorure de cuivre hydrat est :

M = 170,5 g . mol 1.

Donc la masse m de poudre peser est :

Possibilit (2) : Na+, Cl et HO si la solution de chlorure decuivre est le ractif limitant (excs de solution dhydroxydede sodium).Possibilit (3) : Na+ et Cl si les ractifs sont dans les pro-portions stchiomtriques.

Si le filtrat est bleu, il contient des ions Cu2+. Les possi-bilits (2) et (3) sont liminer.Si le filtrat est incolore, on peut liminer la possibilit (1). Ilfaut donc trancher entre les possibilits (2) et (3) en rali-sant le test suivant :On verse un peu de solution de chlorure de cuivre dans lefiltrat : sil apparat un prcipit bleu, cest que le filtratcontient des ions HO. Il sagit du prcipit Cu(OH)2. Cestla possibilit (2) qui est la bonne. Sil napparat pas de pr-

cipit, cest la possibilit (3) quil faut retenir.) Lquation traduisant la raction ayant eu lieu dans letube 2 est la suivante :

Cu(H2O)62+ + 4NH3 A Cu(NH3)4

2+ + 6 H2O

La mise en solution du chlorure de cuivre scrit :CuCl2 , 2 H2O A Cu

2+ + 2Cl + 2 H2OOn peut construire le tableau davancement suivant danslequel lavancement et les quantits de matire de ractif et

de produits sont exprimes en mole :

Dans ltat final du systme, le chlorure de cuivre est tota-lement dissous et xmax = 5,0 10

3 mol.La solution contient donc 5,0 10 3 mol dions Cu2+ et

1,0 10 2 mol dions Cl. Les concentrations molaires correspondent un litre desolution.[Cu2+] = 5,0 10 2 mol .L1 et [Cl] = 1,0 10 1 mol .L1.

Si [Cl] = 2,0 10 3 mol .L 1 alors :[Cu2+] = 1,0 10 3 mol .L1

et :c = 1,0 10 3 mol .L1.

Ce sera linscription porte sur le flacon.On remarque que llectroneutralit de la solution est tou-jours respecte.

+ 5

CuCl2, 2H2O Cu2+ 2Cl 2H2O

E.I. x = 0 5,0 103 0 0 solvant

E.F. xmax 5,0 103 xmax xmax 2 xmax solvant

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La dernire partie de cette activit permet de raisonner surla notion de concentration effective molaire en ions et defaire la distinction avec la concentration molaire en solutapport.

Note : Cette partie peut tre prpare la maison. On ralise ici une dilution au cours de laquelle il y aconservation de la matire. La quantit de matire en solutapport, c1V1 , prleve dans S1 est gale celle, c2V2 , quise trouve en solution aprs dilution dans S2.

On trouve : V 1 = c2V2/c1 = 25 mL.

On verse un peu de solution S1 dans un rcipient inter-mdiaire. On prlve, laide dune pipette jauge munie

dune poire daspiration, 25 mL de solution S1 que lon versedans une fiole jauge de 50 mL. On la remplit aux deux tiersdeau distille. On la bouche et on lagite.On pose la fiole sur une surface plane, puis on la compltedeau distille jusqu ce que le bas du mnisque soit au niveaudu trait de jauge. On la bouche et on lagite par renversement.

On trouve :

Note : Les concentrations des solutions mlanges sont trs diffrentesafin que les couleurs soient nettement intermdiaires entre celles de S1 et de S6.

Les rponses des lves peuvent tre trs diffrentes.Certains, sans rflchir, diront que la concentration estgale la somme des deux concentrations prcdentes, soit2,1 10 4 mol . L 1, dautres la moyenne.

La comparaison avec lchelle de teintes montre quela solution S7 se situe entre les solutions S2 et S3, soitc7 D [8,0 10

5 mol . L 1, 1,0 10 4 mol . L 1]. La solutionest dailleurs plus proche de S3 que de S2.

Les quantits de matire en solut apport sont respec-tivement :

n1 = c1V1 = 3,0 106 mol et n6 = c6V6 = 2,5 10

7 mol.

La quantit de matire n7 contenue dans S7 est gale lasomme de n1 et n6, soit :n7 = n1 + n6 = 3,3 10

6 mol.

Le volume total de la solution S7 est gal 40 mL.Ainsi, on a :

c7d = 3,3 106 / (4,0 10 2) = 8,1 10 5 mol . L1.

- 0)! ;.

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a. et b.

c. Calculs des concentrations molaires effectives :

[HCO3

(aq)] = 7,16 102 mol . L1 ;

[Cl(aq)] = 9,07 103 mol . L 1 ;

[SO42(aq)] = 1,81 103 mol . L1 ;[F-(aq)] = 5 10

4 mol . L1 ;

[Na+(aq)] = 7,43 102 mol . L1 ;

[K+(aq)] = 3,38 103 mol . L 1 ;

[Ca2+(aq)] = 2,2 103 mol . L1 ;

[Mg2+(aq)] = 4,5 104 mol . L1.

d. On peut identifier des ions chlorure au moyen dune solu-tion de nitrate dargent (prcipit blanc qui noircit lalumire : AgCl).e. On peut identifier des ions sulfate au moyen dune solu-tion de chlorure de baryum (prcipit blanc : BaSO4).

a. La quantit de matire de sel dans 1,0 L de srumphysiologique est :

n = cmV/M = 0,15 mol.

La concentration molaire en solut apport est :c = cmV/M = 0,15 mol . L

1.

b. On a : NaCl(s) A Na+

(aq) + Cl(aq)

On peut tablir le tableau davancement suivant :

(K) = e (C) + 273,15p sexprime en Pa et Vm en m

3 . mol 1 ;R = 8,31 J . mol 1 . K1.

Si on a utilis par exemple 0,62 g de zinc, la quantit dematire correspondante est 0,62/65,4 = 9,5 10 3 mol.

La quantit de matire dions H

+

est :6,0 5,0 10 3 = 3,0 10 2 mol.

Le tableau davancement est le suivant. Lavancement et lesquantits de matire des ractifs et des produits sont expri-ms en mole.

Si xmax = 9,5 103 mol, alors la quantit de matire de zinc

dans ltat final est nulle et la quantit de matire dionsH+(aq) est de 1,1 10

2 mol. La valeur xmax = 1,5 10 2 mol

est inacceptable puisque la quantit de matire de zincserait ngative.Si le volume molaire est voisin de 24 L . mol 1, alors levolume de dihydrogne form doit tre voisin de :

9,5 10 3 24 = 0,23 L. Le rsultat prcdent et la valeur du volume trouveexprimentalement sont trs voisins. La raction chimiquesest droule comme prvu et les mesures effectues sontcorrectes.

!!"#$a. Par dfinition :

n = m/M = 0,269 / 134,5 = 2,00 103

mol.b. La concentration molaire en solut apport est :

c = n/V = 8,00 103 mol . L1.

c. Lquation de dissolution du chlorure de cuivre est :

CuCl2(s) A Cu2+

(aq) + 2 Cl

(aq)

Zn(s) 2 H+

(aq) Zn2+

(aq) H2(g)

E.I. x = 0 9,5 103 3,0 102 0 0

E.F. xmax 9,5 103

xmax 3,0 102

2 xmax xmax xmax

Anions

Nom Formule Masse molaire Quantit de

(g . mol1) matire (mol)

sodium Na +(aq) 23,0 7,43 102

potassium K+(aq) 39,1 3,38 103

calcium Ca 2+(aq) 40,1 2,2 103

magnsium Mg2+(aq) 24,3 4,5 104

N Cl N + Cl

Cations

Nom Formule Masse molaire Quantit de

(g . mol1) matire (mol)

bicarbonate HCO3(aq) 61,0 7,16 102

chlorure Cl(aq) 35,5 9,07 103

sulfate SO42

(aq) 96,1 1,81 103

fluorure F(aq) 19,0 5 104

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b. On a :

Lavancement et les quantits de matire sont exprims enmole.On voit que xmax = 0,20 mol. Il sest form 0,20 mol dionsnickel et 0,40 mol dions bromure.

Par dfinition, on a :[Ni2+(aq)] = xmax/V = 0,40 mol . L

1

et [Br (aq))] = 2xmax/V = 0,80 mol . L 1.

d. La concentration c en solut apport est gale :

c = n/V = 0,40 mol . L1.On voit que la concentration molaire effective en ions nic-kel est gale c alors que la concentration molaire effectiveen ions bromure est gale 2c.

a. On fabrique trois solutions de mme volume et pos-sdant la mme concentration molaire en solut apport.Ainsi, la quantit de matire en solut utilise pour fabri-quer les trois solutions est la mme et vaut :

c = n/V = 5,0 103 mol.b. K2SO4(s) A 2 K

+(aq) + SO4

2(aq)

notation de la solution : 2 K+(aq) + SO42

(aq) ;

K3PO4(s) A 3 K+

(aq) + PO43

(aq) ;

notation de la solution : 3 K+(aq) + PO43

(aq) ;

Al2(SO4)3(s) A 2 Al3+

(aq) + 3 SO42

(aq)

notation de la solution : 2 Al3+(aq) + 3 SO42

(aq).

c. Pour K2SO4(s) :

ltat final, il ne reste plus de sulfate de potassium solide.Ainsi, xmax = n = 5,0 10

3 mol.

Il sest alors form 1,00 102

mol dions K+

(aq) et5,0 103 mol dions SO42

(aq).Les concentrations molaires effectives des ions en solutionsvalent alors :

[K+(aq)] = 2xmax/V = 1,0 102 mol . L1

et [SO2 ] x /V 5 0 103 mol L1

Pour Al2(SO4)3 (s) :

ltat final, il ne reste plus de sulfate daluminium solide.Ainsi, xmax = n = 5,0 10

3 mol.Il sest alors form 1,00 10 2 mol dions Al3+(aq) et1,50 10 2 mol dions SO4

2(aq).

Les concentrations molaires effectives des ions en solutionsvalent alors :

[Al3+(aq)] = 2xmax/V = 1,0 102 mol . L 1

et [SO42

(aq)] = 3xmax/V = 1,5 102 mol . L1.

a. Lquation de dissolution est :FeCl3(s) A Fe

3+(aq) + 3 Cl

(aq)

On a :

b. ltat final, il ny a plus de chlorure de fer solide. Ainsi,xmax = n. laide du tableau davancement, on voit que :

nFe3+ = n et nCl = 3 n.

c. Par dfinition : [Fe3+(aq)] = nFe3+/V = n/V

et [Cl(aq)] = nCl/V= 3 n/V.

On voit que : [Cl(aq)] = 3 [Fe3+

(aq)].

d. On a : [Cl(aq)] = 3 [Fe3+

(aq)] = 4,5 103 mol . L1.

e. On sait que : V = 400 mL.Ainsi, nFe3+ = [Fe

3+(aq)]V = 6,0 10

4 mol.Daprs le tableau, nFe3+ = n ; do : n = 6,0 10

4 mol.f. La concentration molaire c en solut apport est gale :

c = n/V = 1,5 103 mol . L1.

a. Lquation de dissolution est :Fe2(SO4)3(s) A 2 Fe

3+(aq) + 3 SO4

2(aq)

b. On a :

c. ltat final, le solut est totalement dissous. Ainsi,

K2SO4(s) 2 K+(aq) SO4

2(aq)

E.I. x = 0 n 0 0

E.F. xmax n xmax 2 xmax xmax

Al2(SO4)3(s) 2 Al3+

(aq) 3 SO42

(aq)

E.I. x = 0 n 0 0

E.F. xmax n xmax 2 xmax 3 xmax

FeCl3(s) Fe3+

(aq) 3 Cl(aq)

E.I. x = 0 n 0 0

E.F. xmax n xmax xmax 3 xmax

Fe2(SO4)3(s) 2 Fe3+

(aq) 3 SO42

(aq)

E.I. x = 0 n 0 0

E.F. xmax n xmax 2 xmax 3 xmax

NiBr2(s) Ni2+

(aq) 2 Br(aq)

E.I. x = 0 0,20 0 0

E.F. xmax 0,20 xmax xmax 2 xmax

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a. La concentration molaire effective en ions nickel estgale :

[Ni2+(aq)] = cm/M = 7,0 /58,7 = 0,12 mol . L1.

b. La quantit de matire dions nickel en solution est :

nNi2+ = cV = 0,54 mol.

c. On a :

Daprs le tableau davancement, on voit que xmax = n et quen = nNi2+ = 0,54 mol.

d. La masse de chlorure de nickel NiCl2(s) ncessaire pour

fabriquer la solution est gale :mNiCl2 = xmax M avec M = 129,7 g . mol 1.

Do : m = 70 g.

a. La solution aqueuse de nitrate de cobalt scrit :

Co2+(aq) + 2 NO3(aq).

b. La masse molaire du nitrate de cobalt vaut :

M = 2 (14,0 + 3 16,0) + 58,9 = 182,9 g . mol 1.

Les concentrations molaires effectives extrmes valent : si cm = 10,0 g . L1 :

c = cm/M = 10,0 / 182,9 = 5,47 102 mol . L1 ;

si cm = 1,00 g . L1:

c = cm/M = 1,00 / 182,9 = 5,47 103 mol . L1.

On utilise un tableau davancement. Soit n la quantit dematire en solut apport Co(NO3)2(s).

Daprs le tableau, on voit quil se forme n mol de Co2+(aq)et 2 n mol de NO3

(aq).

Dans un volume V de solution, cela correspond desconcentrations molaires effectives gales :

[Co2+

(aq)] = n/V = c et [NO3

(aq)] = 2n/V = 2c.Ainsi, si cm = 10,0 g . L

1 :

[Co2+(aq)] = c= 5,47 102 mol . L 1

et [NO3

(aq)] = 2c = 0,109 mol . L1

i 1 00 L 1

La solution S2 apporte :nAg+ = c V2 = 1,0 10

3 mol.b.

Lavancement et les quantits de matire sont exprims enmole.c. laide du tableau davancement, on voit que lesions argent constituent le ractif limitant. Ainsi,xmax = 1,0 10

3 mol et on rcupre 1,0 103 mol deprcipit de chlorure dargent.d. Il reste en solution : 1,0 103 mol dions chlorure,

1,0 10

3

mol dions calcium et 1,0 10

3

mol dions nitrate.Le volume total VT de solution est :VT = V1 + V2 = 200 mL.

Les concentrations molaires effectives des ions sont :[Ca2+(aq)] = [Cl

(aq)] = [NO3

(aq)] = 5,0 10

3 mol . L1.

a. Il sest form du sulfate de baryum, de formuleBaSO4(s).b. Dans la solution S, on voit que :

[Na+

(aq)] = 2 c et [SO42

(aq)] = c.Dans la solution Sv, on voit que :

[Ba2+(aq)] = cv et [Cl

(aq)] = 2 cv.

La solution S apporte :nNa+ = 2 c V= 4,0 10

4 mol

et nSO42 = c V = 2,0 104 mol ;

La solution Svapporte :nBa2+ = cvVv= 2,5 10

4 mol

et nCl = 2 cvVv= 5,0 104 mol.

c. On a :

Lavancement et les quantits de matire sont exprims en

mole.d. On voit que nBa2+ > nSO42 : les ions sulfate constituent leractif limitant.Ainsi, xmax = 2,0 10

4 mol. Il sest alors form2,0 10 4 mol de prcipit.La masse molaire du sulfate de baryum est gale :M 233 4 g mol 1

Co(NO3)2(s) Co2+

(aq) 2 NO3(aq)

E.I. x = 0 n 0 0

E.F. xmax n xmax xmax 2 xmax Ba2+(aq) SO42

(aq) BaSO4(s)

E.I. x = 0 nBa2+ = 2,5 104 nSO4

2 = 2,0 104 0

E.F. xmax nBa2+ xmax xmax xmax

NiCl2(s) Ni2+

(aq) 2 Cl(aq)

E.I. x = 0 n 0 0

E.F. xmax n xmax xmax 2 xmax

Ag+(aq) Cl(aq) AgCl(s)

E.I. x = 0 nAg+ = 1,0 103 nCl = 2,0 10

3 0

E.F. xmax nAg+ xmax nCl xmax xmax

L l ti S t

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La solution S2 apporte :

nK+ = nCl = c2V2 = 1,4 104 mol.

La solution S3 apporte :

nCu2+ = nSO42 = c3V3 = 1,6 104 mol.

Le mlange contient alors :

nK+ = 1,4 10 4 mol ;nCu2+ = c1V1 + c3V3 = 2,1 10

4 mol ;

nSO42 = 1,6 104 mol ;

nCl = 2 c1V1 + c2V2 = 2,5 104 mol.

Les concentrations molaires effectives des ions en solutionsont gales :

[K+(aq)] = 9,3 104 mol . L1 ;

[Cu2+(aq)] = 1,4 103 mol . L1 ;[SO4

2(aq)] = 1,1 10

3 mol . L1 ;

[Cl(aq)] = 1,7 103 mol . L1.

""!"$"

a. Par dfinition : m = l V = d l eauV = 1,05 kg.

b. Sachant que la solution contient 10 % en masse de chlo-rure dhydrogne, il a fallu pour la prparer une masse dechlorure dhydrogne gale :

mHCl = P m = 105 g.

c. La quantit de matire de chlorure dhydrogne nces-saire pour fabriquer la solution est :

n = m/MHCl = 105 / 36,5 = 2,88 mol.Par dfinition, la concentration molaire en solut apport

est gale :c = n/V = 2,88 mol . L1.

d. Par dfinition : vHCl = nHClVm = 69 L.

a. Sur ltiquette, on trouve la masse molaire, le pour-centage massique (100 fois le rapport entre la masse m dedacide sulfurique apport et la masse totale mvde la solu-tion) et la densit.b. Phases R et S : elles indiquent le risque et les conditions

de scurit lis lutilisation des produits dangereux,conformment la lgislation : la signification est ici lisiblesur ltiquette (et voir le manuel la page 247).Icne : corrosif.c. 1,00 L de solution pse 1,83 kg.Dans un 1,00 L, il y a :

a.Voir le schma ci-dessous.

b. La quantit de matire initiale de zinc est :1,31 / 65,4 = 2,00 102 mol.La quantit de matire initiale dions H+ est :

2,00 5,00 10 3 = 0,100 mol

Lavancement et les quantits de matire sont exprims enmole.

xmax = 2,0 102 mol

La quantit de matire de dihydrogne prvisible est :

2,0 102 mol.

La quantit de matire dions zinc prvisible est :

2,0 102 mol.

c. Quantit de matire dions H

+

(aq) restante :0,100 4,0 102 = 6,0 102 mol

dans 50,0 mL de solution.

[H+(aq)] = 6,0 102/ 0,0500 = 1,2 mol . L1.

[Zn2+(aq)] = 2,0 102/ 0,0500 = 0,4 mol . L 1.

[Cl(aq)] = 2,0 mol . L1 (les ions Cl ne sont pas intervenus

dans la raction et le volume de solution na pas chang).

d. Daprs lquation dtat du gaz parfait, pV = nRT, on a :p = nRT/V = 2,00 10 2 8,31 295 / (4,82 10 4)

p = 1,02 105 Pa.

Zn(s) 2 H+

(aq) Zn2+

(aq) H2(g)

E.I. x = 0 2,0 102 0,100 0 0

E.F. xmax 2,0 102 xmax 0,100 2 xmax xmax solvant

Deux tubes essais

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Deux tubes essais. Un entonnoir avec support, filtre, agitateur. Un bcher (pour recueillir le filtrat).

+ 5 -+

Pour chaque binme :

Solution de permanganate de potassium K+(aq) + MnO4

(aq)

de concentration en solut apport c = 2,0 10 4 mol .L1. Pipettes jauges de 5 mL, 10 mL, 20 mL et 25 mL. Une fiole jauge de 50 mL avec un bouchon. Une pissette d'eau distille.

Bchers de 100 mL. Six tubes essais. Un porte-tube essai.

Acide chlorhydrique 2 mol . L1. Acide chlorhydrique 6 mol . L1.

Solution dhydroxyde de sodium 2 mol . L1. Grenaille de zinc. Deux tubes essais. Allumettes. Une balance au cg. Un erlenmeyer avec bouchon deux trous. Un tube entonnoir. Un tube dgagement.

Une cuve eau, tt--gaz. Une prouvette gradue de 250 ml. Un support (pour fixer lprouvette).

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1. a. m = n M. c. m = l V.

2. b. n = l V / RT. d. n = V / Vm3. La solution obtenue est : a. conductrice.La concentration molaire en solut apport est : c. c= n / V.

4. b. m = n M = c V M = 2,0 10 2 0,250 278 = 1,4 g.

5. c. La solution dilue est moins concentre.d. La concentration des ions est divise par dix.

6. c. Les ions sassocient en solution.d. Le prcipit peut tre spar de la solution par filtration.

!)#$"$#$1. La formule et le nom du solide ionique dissous pour obte-nir les solutions ioniques mentionnes dans lnonc sont :

a. BaCl2(s) : chlorure de baryum, et b. K3PO4(s) : phosphatede potassium.

2. a. Cu2+(aq) + 2 NO3

(aq) : solution de nitrate de cuivre.b. 2 Na+(aq) + SO4

2(aq) : solution de sulfate de sodium.

3. a. Lors du mlange des solutions ioniques, les ions sus-ceptibles de sassocier sont Ba2+(aq) avec SO4

2(aq) et Na

+(aq)

avec Cl(aq).b. Sachant que les ions chlorure et sodium coexistent, le pr-cipit obtenu est le sulfate de baryum de formule BaSO

4(s).

c. Lquation chimique traduisant sa prcipitation est :Ba2+(aq) + SO4

2(aq) A BaSO4(s)

) !!*$++,a. Le dispositif exprimental ncessite dadapter un tube dgagement laide dun bouchon trou au rcipient

cement maximal xmax = 50 mmol. Le ractif est entirementconsomm puisque sa quantit de matire est nulle.c. La quantit de matire de carbonate de calcium transfor-

me est gale lavancement maximal. La masse cor-respondante est :m = xmax MCaCO3 = 5,0 10

2 100,1

m = 5,0 g.d. laide de la droite rose nCO2 = f(x), on peut lire que laquantit de matire de gaz forme est aussi gale lavancement maximal.Le volume de gaz correspondant dans les C.N.T.P. est :

V = xmaxVm = 5,0 102 24

V = 1,2 L.e. laide de la droite rose nCO2 = f(x), on peut lire quela quantit de matire de solide forme est encore gale lavancement maximal puisque les nombres stchio-mtriques sont gaux, soit nCO2 = nCaO.La masse doxyde de calcium obtenue est :

mv= xmax MCaO = 5,0 102 56,1

mv= 2,8 g.

-$a. Lquation chimique de la raction de combustion est :

2 Mg(s) + O2(g) A 2 MgO(s)b. Les quantits de matire de ractifs introduits sont :

nMg = m /M = 7,29 / 24,3nMg = 0,30 mol ;nO2 = V/ Vm = 6,0 / 24

nO2 = 0,25 mol.c. Dans le tableau, lavancement et les quantits de matiresont exprimes en mole.

Solutions aqueuses ioniques

m eanslCe

2 Mg(s) O2(g) 2 MgO(s)

E.I. 0 0,30 0,25 0

f. cette date lavancement x est donc x = 0 10 mol c. ltat final la quantit de matire en ions hydroxyde est

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f. cette date, l avancement x est donc x = 0,10 mol.La quantit de matire de magnsium restante est :

nMg = 0,30 2 0,10 = 0,10 mol,

ce qui correspond une masse :

mMg = 1,0 101 24,3 = 2,4 g.

La quantit de matire de magnsie forme est donc gale 2x et la masse correspondante est de :

mMgO = 2 x MMgO = 2 0,10 (24,3 + 16)

mMgO = 8,0 g.

g. La masse de magnsie forme ltat final est :

m = 0,30 40,3 = 12 g.h. Le volume de dioxygne restant ltat final est :

VO2 = 0,10 24 = 2,4 L.

"$.) !

1. Analyse qualitative

a. Les quations de dissolution dans leau des deux solidesioniques mentionns dans lnonc sont :

NaOH(s)A Na+

(aq) + HO

(aq)

Fe2(SO4)3(s)A 2 Fe3+

(aq) + 3 SO42

(aq)

b. Les ions susceptibles de sassocier en solution au cours delexprience sont Na+(aq) avec SO4

2(aq)