Aurélie dec 04

acide base

première S

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 Dans une solution d'hydroxyde de sodium de conductivité s, on dissous un peu de dioxyde de carbone CO2.

  1. Pourquoi pense-t-on a priori que la conductivité de la solution n'a pas variée ?
  2. Lorsqu'on réalise cette expérience, on constate que la conductivité de la solution obtenue est différente de s. Pourquoi ce résultat met-il en évidence qu'une réaction chimique a eu lieu ?
  3. L'équation chimique de cette équation est la suivante :CO2, H2O + 2HO- (aq) = CO32- (aq) + 2H2O.
    Quels couples acide / base met-elle en jeu ?
  4. Utiliser cette équation chimique et les valeurs des conductivités molaires ioniques des ions de la solution pour déterminer le sens de variation de la conductivité.
  5. Que peut-on dire du pH de la solution finale par rapport au pH de la solution initiale ?

 conductivités molaires ioniques (S m² mol-1) l HO- = 20 10-3 ; l CO3- = 14 10-3 .

 

corrigé
Seuls les ions participent à la conductivité de la solution : en dissolvant une molécule CO2 on peut penser que la conductivité ne va pas changer. Si la conductivité change alors la molécule dissoute réagit avec l'eau ou les ions en solution, et conduit à la formation ou à la disparition d'autres ions.

couples acide base : H2O / HO- ; CO2, H2O / HCO3- ; HCO3- / CO32-.

CO2, H2O ajouté
+ 2HO- (aq)
= CO32- (aq)
+ 2H2O
initial
0
n0 mol
0
solvant
en cours
x
n0-2x
x
conductivité initiale s0 = lNa+[Na+] + l HO- [HO-] = lNa+[Na+] + l HO- n0/V ( V volume solution)

conductivité s = lNa+[Na+] + l HO- [HO-] + l CO3- [CO32- ] = lNa+[Na+] + l HO- (n0-2x) / V + l CO3- x/V

variation : s -s0 = 1/V[l HO- n0(-2x) + l CO3- x]= 10-3/V[-40 x +14 x]= -26 x10-3/V

la conductivité de la solution diminue.

pH initial : 14+log [HO-]0 = 14+log(n0/V)

pH final : 14+log((n0-2x)/V)

variation : log((n0-2x)/V)- log(n0/V) =log [ ((n0-2x)/n0)= log (1-2x/n0)

1-2x/n0) est inférieur à 1 ; log (1-2x/n0) est négatif ; donc le pH diminue.


L'acide lactique : 

Le lait est un melange complexe contenant, entre autre eau, glucides, lipides, protides, vitamines…

Le lait contient aussi de l'acide lactique de formule C3H6O3

  1. A quel couple acide-base peut-on associer l'acide lactique ?
  2. On dispose d'une solution commerciale d'acide lactique S de pourcentage massique P=85% et de masse volumique r=1,20.103 g/L. A partir de S, on prépare 500mL d une solution diluèe S’ d'acide lactique de concentration C=0,057mol/L.
    - Quel volume de solution S faut-il prélever pour préparer la solution S’ ?     
  3. Ecrire l'équation de la réaction entre l'acide lactique et l'eau.
  4. On mesure le pH de la solution S’ ; on trouve pH=2,57
    - Montrer que le taux d'avancement final     t, ne dépend pas du volume V de solution utilisée pour mesurer le pH.
  5. Calculer la valeur de t. La réaction entre l'acide lactique et l'eau est-elle totale ? 

Donnée : masse molaire de l'acide lactique : M=90g/mol 

corrigé
couple acide-base CH3-CHOH-COOH / CH3-CHOH-COO-.

masse d'acide pur dans 1 L de solution commerciale : 1200*0,85 = 1020 g

soit : masse (g) / masse molaire (g/mol) = 1020/90 = 11,33 mol par litre.

facteur de dilution : concentration mère / concentration fille : 11,33 / 0,057 = 198,3

volume de solution mère à prélever : 500/198,3 = 2,52 mL.

CH3-CHOH-COOH + H2O = CH3-CHOH-COO- + H3O+.

avancement final : xfin = [H3O+]fin V ; avancement maximal xmax = C V

taux d'avancement final t = xfin / xmax = [H3O+]fin / C = 10-pH / C.

La mesure du pH ne dépend pas du volume de solution utilisée.

t = 10-2,57 / 0,057 = 2,69 10-3 / 0,057 = 4,72 10-2.

t inférieur à 1, la réaction entre l'acide et l'eau est partielle.

 Trois solutions acides de même concentration 0,01 mol/L possèdent l'avancement final xfinal : 

- acide chlorhydrique HCl : xfinal =10-3 mol pour 100 mL de solution

- acide dichloroéthanoique CHCl2COOH : xfinal = 7,9 .10-4 mol pour 500 mL de solution

- chlorure d ammonium NH4+ + Cl- : xfinal = 2,5 .10-6 mol pour 1 L de solution

  1. Ecrire, pour chacune des solutions, l'équation de réaction des acides avec l'eau.
  2. Identifier, dans chaque cas, les couples acide-base présents en solution.
  3. Calculer l'avancement maximal xmax de chacune des réactions.
  4. En déduire le taux d'avancement final.
  5. Calculer le pH de chaque solution.
corrigé
HCl + H2O -->H3O+ + Cl- couple acide base H3O+ /H2O

CHCl2COOH  + H2O =H3O+ + CHCl2COO-

couples acide base : H3O+ /H2O et CHCl2COOH / CHCl2COO-

NH4+ +  + H2O =H3O+ + NH3

couples acide base : H3O+ /H2O et NH4+ /NH3

l'avancement maximal xmax de chacune des réactions est : concentration (mol/L) * volume solution (L)

acide chlorhydrique xmax =0,01*0,1 = 10-3 mol.

acide dichloroéthanoique xmax =0,01*0,5 = 5 10-3 mol.

chlorure d'ammonium :xmax = 0,01*1 = 10-2 mol.

taux d'avancement final t = avancement final / avancement maximal =xfin / xmax.

acide chlorhydrique t = 10-3 / 10-3 = 1.

acide dichloroéthanoique t = 7,9 .10-4 / 5 10-3 = 0,158.

chlorure d'ammonium t = 2,5 10-6 / 10-2 = 2,5 10-4.

Le pH se calcule à partir de la concentration en ion oxonium, exprimée en mol/L: pH = -log[H3O+]

avec [H3O+] = t c = x fin / volume solution

acide chlorhydrique [H3O+] =0,01 mol/L soit pH= 2.

acide dichloroéthanoique [H3O+] =0,158*0,01 =1,58 10-3 mol/L soit pH= 2,8.

chlorure d'ammonium [H3O+] =2,5 10-4*0,01 =2,5 10-6 mol/L soit pH= 5,6.

Données couples acido-basiques :CH3-COOH /CH3-COO- ; NH4+/NH3 .

  1. L'acide acétique réagit il avec l'eau ? justifier votre réponse Ecrire l'équation de la réaction. Que peut ton dire du pH de la solution obtenue, justifier.
  2. L'ammoniac réagit il avec l'eau ? Ecrire l'équation de la réaction. Que pont ton dire du pH de la solution obtenue,justifier.
  3. On dispose de solutions acqueuses d'acide acétique, d'acétate de sodium, d'amoniac et de chlorure d'amonium. Comment représente t-on ces solutions ?
  4. Laquelle des ces solution réagit avec la solution d'ammoniac ? Pourquoi ? Ecrire l'équation de la réaction.
  5. Laquelle des ces solution réagit avec la solution d'acétate de sodium ? Pourquoi ? Ecrire l'équation de la réaction.
corrigé
L'acide acétique réagit partiellement avec l'eau : pour une concentration en soluté apporté C voisine de 0,01 mol/L, moins de 5 % des molécules d'acide acétique réagissent avec l'eau suivant :

CH3-COOH +H2O = CH3-COO-+ H3O+.

La concentration en ion oxonium étant très inférieure à C, le pH de la solution sera supérieur à -log C.

L'ammoniac réagit partiellement avec l'eau : pour une concentration en soluté apporté C voisine de 0,01 mol/L, moins de 5 % des molécules d'ammoniac réagissent avec l'eau suivant :

NH3 +H2O = NH4++ HO-.

La concentration en ion hydroxyde étant très inférieure à C, le pH de la solution sera inférieur à 14+ log C.

Les solutions acqueuses d'acide acétique CH3-COOH et d'amoniac NH3 contiennent essentiellement des molécules.

Les solutions acqueuses d'acétate de sodium CH3COO- et Na+ et de chlorure d'amonium NH4+ et Cl- sont totalement ionisées.

couples acide base présents dans ces solutions :

CH3-COOH / CH3COO- et NH4+ / NH3

La solution d'acide acétique peut réagir avec la solution d'ammoniac suivant :

CH3-COOH + NH3 = CH3COO- + NH4+

transfert d'un proton de l'acide acétique à la base NH3.

La solution de chlorure d'ammonium peut réagir avec la solution d'acétate de sodium suivant

CH3COO- + NH4+ = CH3-COOH + NH3

transfert d'un proton de l'ion ammonium ( acide) à la base CH3COO- .

On mélange un volume Va=50mL de solution d'acide chlorhydrique, de concentration de soluté apporté Ca =2.00 10 -3 mol.L-1, et un volume Vb=25 mL de solution aqueuse d'hydroxyde de soduim, de concentration de soluté apporté Cb= 2.00.10 -3 mol.L -1. Le pH de la solution obtenue est pH =3,2.

  1. Ecrire l'équation chimique de la réaction entre le chlorure d'hydrogène aqueux et l'eau. En déduire la formule chimique de la solution d'acide chorhydrique.
  2. En admettant que la transformation entre le chlorure d'hydrogène et l'eau est totale, quel serait le pH de la solution d'acide chlorhydrique ?
  3. Ecrire l'equation de dissolution de l'hydroxyde de sodium dans l'eau. En déduire la formule chimique de la solution d'hydroxyde de sodium.
  4. Donner les valeurs des concentrations initiales en ions oxonuim et hydroxyde lors du mélange.
  5. Ecrire l'équation chimique de la réaction entre les ions oxonium et hydroxyde lors du mélange.
  6. Quel est le réactif limitant de la réaction ?
  7. Calculer la concentration en ion oxonium à l'équilibre. En déduire l'avancement à l'équilibre.
  8. Quelle est la valeur du taux d'avancement final ? La transformation est-elle totale ?
corrigé
HCl (g)+ H2O = Cl- (aq)+ H3O+(aq)

Une solution d'acide chlorhydrique ( formule brute HCl ) contient les ions oxonium et chlorure.

pH de la solution d'acide chlorhydrique : pH= -log [H3O+]= -log Ca = -log (2 10-3 )= 2,7.

NaOH (s)= Na+(aq)+ OH-(aq)

Une solution d'hydroxyde de sodium ou soude ( formule brute NaOH ) contient les ions hydroxyde et sodium.

couples acide base H2O / OH- et H3O+/H2O

H3O+ + OH- = 2 H2O

transfert d'un proton de l'acide H3O+ à la base OH-

Qtés de matière initiale( mol) = volume de la solution (L) * concentration (mol*L)

n( H3O+ )= CaVa = 2 10-3 * 50 10-3 = 10-4 mol.

n( OH- )= CbVb = 2 10-3 * 25 10-3 = 5 10-5 mol.

avancement (mol)
H3O+
+ OH-
= 2 H2O
initial
0
10-4 mol
5 10-5 mol
solvant en grande quantité
en cours
x
10-4 -x
5 10-5 -x

xmax
10-4 -xmax
5 10-5 -xmax

5 10-5 mol
0
si H3O+ en défaut : 10-4 -xmax=0 soit xmax=10-4 mol

si OH- en défaut : 5 10-5 -xmax =0 soit xmax= 5 10-5 mol

L'ion hydroxyde constitue le réactif limitant.

Concentration en ion oxonium à l'équilibre : [H3O+]équilibre = 10-pH= 10-3,2 = 6,31 10-4 mol/L

volume du mélange = 75 mL = 0,075 L

xéquilibre = [H3O+]équilibre *volume mélange (L) = 6,31 10-4 *0,075 = 4,73 10-5 mol.

taux d'avancement final = xéquilibre / xmax = 4,73 10-5 / 5 10-5 = 0,95.

Cette valeur est proche de 1 ( les 5 % d'écart peuvent être dus à une imprécision sur la mesure du pH ): la transformation peut être considérée comme totale.




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