Suivi d’une transformation chimique I-Activités Activité-1 :Etude de l’évolution d’un système (Précipitation du phosphate de calcium)...
Suivi d’une transformation chimique
I-Activités
Activité-1 :Etude de l’évolution d’un système (Précipitation du phosphate de calcium)
Les ions calcium Ca2+ réagissent avec les ions phosphate PO43- et donnent un précipité de phosphate de calcium Ca3(PO4)2.
On mélange un volume V1 = 10,0 mL d’une solution de chlorure de calcium
(Ca2+ + 2Cl-) de concentration C1 = 5,0x10-2 mol.L-1 avec un volume V2 = 50,0 mL d’une solution de phosphate de sodium (3Na+ + PO43-) de concentration C2 = 2,0x10-2 mol.L-1
1)1.1.Déterminer les concentrations initiales(avant précipitation) des ions Ca2+ et Cl- en solution dans le mélange.
1.2. Même question pour les ions Na+ et PO43-
2. Ecrire l’équation de la réaction de précipitation.
3. Déterminer les quantités de matière à l’état initial des ions Ca2+ et PO43- notées respectivement n1 et n2.
4. Dresser le tableau d’avancement de la réaction. On utilisera uniquement les expressions littérales des quantités de matière.
5. Déterminer la valeur de l’avancement maximal. Quel est le réactif limitant ?
6. Déterminer la quantité de matière de toutes les espèces chimiques en fin de réaction.
Réponses
1.1.
[C2. 2.Equation de la réaction de précipitation :
3 Ca2+ + 2 PO43- → Ca3(PO4)
3. Quantités de matière à l’état initial des ions Ca2+ et PO43-, notées respectivement n1 et n2 :
n1 = C1V1 = 5x10-2x10x10-3 = 5,0x10-4 mol
n2 = C2.V2 = 2x10-2x50x10-3 = 1,0x10-3 mol
4. Tableau d’avancement:
Equation de reaction | 3 Ca2+ + 2 PO43- → Ca3(PO4)2 | |||
Etat du système | Advancement x(mol) | Quantités de matière | ||
Etat Initial | 0 | n1 | n2 | 0 |
Etat Intérmidiaire | x | n1 – 3x | n2 – 2x | x |
Etat Final | xmax | n1 – 3xmax | xmax | |
5. Le réactif limitant:
Si Ca2+ est le réactif limitant, il va disparaitre à la fin de la réaction. Donc ,d’après le tableau d’avancement n1 – 3xmax ; 5,0x10-4 -3 xmax=0
xmax=5,0x10-4 /3=1,7.10-4mol.
Si PO43- est le réactif limitant, il va disparaitre à la fin de la réaction. Donc ,d’après le tableau d’avancement n2 – 2xmax ; 1,0x10-3 -2 max=0
xmax=1,0x10-3 /2 = 5.10-4mol.
xmax=1,7.10-4mol et le réactif limitante st l’ion calcium Ca2+ .
Le réactif limitant correspond à la plus petite valeur de xmax donc :
6. quantité de matière de toutes les espèces chimiques en fin de réaction.
n1 - 3xmax = 0 : il n’y a plus d’ions calcium en solution.(réactif limitant)
n(PO43- )final = n2 -2xmax = 10-3 – 2x1,7x10-4 = 0,66x10-4 mol.
n(Ca3(PO4)2) (final) = xmax =1,7x10-4 mol
Activité.2: Etude d’une réaction produisant un gaz
Énoncé : Le zinc réagit avec l’acide chlorhydrique pour donner un dégagement
gazeux de dihydrogène H2(g)et des ions Zn2+ (aq) en solution aqueuse.
- On fait réagir un volume V = 20,0 ml
d’acide chlorhydrique de concentration
C = 5,00 mol/L avec une masse m = 0,11 g de zinc solide.
- On précise que les ions chlorure Cl-(aq) sont des ions spectateurs et que dans les conditions de l’expérience, le volume molaire Vm = 24 ,3 L / mol.
- Données : masse molaire du zinc : M (Zn) = 65,4 g / mol.
1. Écrire l’équation de la réaction.
2. Donner l’état initial du système et calculer les quantités de matière des différents réactifs.
3. Dresser un tableau d’avancement de la réaction.
4. Déterminer le réactif limitant et la valeur de la valeur de xmax.
5. Faire le bilan de matière et calculer le volume de dihydrogène obtenu.
Réponses :
1.L’équation de la réaction
Zn(s) + 2H+(aq) → Zn2+(aq) +H2(g)
2. Quantités de matière à l’état initial :
n0(Zn)=m(Zn)/M(Zn)= 0,11/65,4=1,7.10⁻⁻³mol
n0(H⁺₍aq₎)=C.V=5,00.20.10⁻³=0,10 mol
3. Tableau d’avancement
Equation de reaction | Zn(s) + 2H+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g) | ||||
Etat du système | Avancement x(mol) | Quantités de matière | |||
Etat Initial | 0 | 1,7.10⁻³ | 0,10 | 0 | 0 |
Etat Intérmidiaire | x | 1,7.10⁻³ – x | 0,10 – 2x | x | x |
Etat Final | xmax | 1,7.10⁻³ – xmax | 0,10 – 2xmax | xmax | xmax |
4. le réactif limitant et la valeur de la valeur de xmax.
Si Mg est réactif limitant alors :nf(Zn)=0 ; 1,7.10⁻³ – x; xmax=1,7.10⁻³ mol.
Si H+(aq) est réactif limitant alors :nf(H+)=0 ; 0,10 – 2xmax ; xmax=5,0.10⁻² mol
Le réactif limitant correspond à la plus petite valeur de xmax. Donc xmax=1,7.10⁻³ mol.
Et le réactif limitant est le zinc Zn(s) .
5. le bilan de matière et calculer le volume de dihydrogène obtenu.
D’après le tableau d’avancement :
nf(Zn)= 0 mol ; nf(H+)=0,10-2.xmax=0,10 - 2.1,7.10⁻³=9,7.10-2 moL
nf (Zn2+)=nf(H2) =xmax=1,7.10⁻³
II-Cours
1-la transformation chimique :
1.1- Description
d’un système chimique :
Un système chimique est constitué d’un ensemble d’espèces chimiques.
Pour décrire correctement l’état du système chimique, il est nécessaire de
préciser les points suivants :
La nature, l’état physique et la quantité de matière de toutes les
espèces chimiques présentes (réactives ou non).
Les conditions de température et de pression.
1.2- La transformation chimique :
un système chimique évolue si On
observe la disparition de certaines espèces chimiques constituant le système -les
réactifs- et la formation de nouvelles espèces -les produits. Le système
atteint l’état final lorsque la composition du système n’évolue plus.
Une transformation
chimique est le passage d’un système chimique d’un état initial à un état
final.
Exemple :Activité-2
1.3- La réaction chimique et son équation.
La réaction chimique est
la modélisation, à l’échelle macroscopique, de la transformation chimique.
L’équation chimique est
l’écriture symbolique de cette réaction.
Une équation chimique s’écrit sous la
forme : réactifs → produits. La flèche se
lit « donne ».
Exemple : activité-2 :
Zn(s) +
2H+(aq) → Zn2+(aq) +H2(g)
Les réactifs : sont les espèces
chimiques qui réagissent au cours de la réaction. Leurs quantités de matière vont diminuer.
(Zn(s) et H+(aq) dans l’exemple)
Les produits : sont les espèces chimiques qui sont formés au cours de la
réaction . Leurs quantités de matière vont diminuer. ( Zn2+(aq) et H2(g) dans l’exemple)
« Espèces spectatrices » : sont les espèces chimiques dont la
quantité de matière n’évolue pas au cours de la réaction chimique. (Cl⁻₍aq₎ dans l’exemple).
Les coefficients stœchiométriques : nombres placés devant les réactifs et
les produits. Ce sont des nombres entiers et positifs qui permettent de
respecter les règles de conservation (nombre d’atomes et de charges).
2- Le bilan de matière et le tableau
d’évolution :
2.1- Avancement et tableau d’évolution :
Avancement : c’est une quantité de matière variable, notée x, qui
permet de suivre (déterminer) les quantités de matière des réactifs et des
produits au cours d’une transformation.
Avancement maximal et réactif limitant :
Le réactif limitant est celui qui
est entièrement consommé lors d’une transformation chimique.
l’avancement maximal est xmax est la plus petite valeur de
l’avancement x pour laquelle la quantité de matière de l’un des réactifs est
nulle.
Tableau d’évolution : permet de présenter de façon synthétique l’évolution
des quantités de matière des réactifs et des produits.
Bilan de matière : Consiste à déterminer les quantités de matière de
toutes les espèces chimiques présentes dans le système.
2.2- Cas général :Tableau type d’une
réaction chimique
|
équation |
aA + bB →
cC + dD |
||||
|
état |
Avancement x(mol) |
Quantités de matière |
|||
|
0 |
n0(A) |
n0(B) |
n0(C) |
n0(D) |
|
|
En cours |
x |
n0(A)-ax |
n0(B)-bx |
n0(C)+cx |
n0(D)+dx |
|
final |
xmax |
n0(A)-axmax |
n0(B)-bxmax |
n0(C)+cxmax |
n0(D)+dxmax |
Avancement final
et réactif limitant :
A réactif limitant : n0(A)-axmax=0
⇒ xmax= n0(A)/a ;
B réactif limitant : n0(B)-bxmax =0 ⇒ xmax= n0(B)/b
Si n0(A)/a ≺ n0(B)/b alors xmax= n0(A)/a et A est le réactif limitant (nf
(A)=0)
Représentation graphique de l’évolution des quantités de matière de A,B,C
et D
Exercice 1: Combustion de l'éthanol dans le dioxygène
Exercice2réaction Zinc et acide chlorhydrique
une masse m=2 g de zinc Zn(s) réagit avec un volume V=600 mL d'une solution
d'acide chlorhydrique (H+(aq)+Cl-(aq))
de concentration soit C=0,5 mol.L-1 selon l’équation
de réaction : Zn(s) + 2H+(aq) → Zn2+(aq)
+ H2(g)
1- Calculer les
quantités de matière des réactifs à l’état initial.
2- Etablir le
tableau d’avancement associé à cette réaction chimique.
3- Calculer l’avancement
maximal et déterminer le réactif limoitant.
4- Déterminer la
composition du système à l’état final.
On donne : M(Zn)=65,4 g/mol
Les résultats numériques seront exprimés avec 3 chiffres significatifs
Corrigé
3-
Si Zn est le réactif limitant,
alors 3,06.10-2
-xmax1=0 , xmax1=3,06.10-2
mol
Si H+ est le réactif limitant , alors 0,300 – 2xmax2=0 , xmax2= 0,150mol＜＜＜
Puisque xmax1＜ xmax2 :
xmax=3,06.10-2 mol et Zn est le réactif limitant.
4- La composition du système à l’état final :
nf(Zn)=0 réactif limitant ; nf(H+)=0,300 – 2xmax=0,300-2.
3,06.10-2 = 0,239 mol ;
nf(H2)= xmax=3,06.10-2 mol
Exercice 3 : réaction des ions thiosulfate avec le diode
Les ion thiosulfate S₂O₃³⁻( aq)
réagissent avec la diode I2 pour former des ions Tetrathionates S₄O₆²⁻(aq)
et des ions iodure I-(aq) Selon l’équation :
I₂ (aq) + 2 S₂O₃³⁻ ( aq) ➝ 2I-(aq) + S₄O₆²⁻ (aq).
La seule espèce colorée est le diode I₂(aq). Initialement le système
chimique contient 3,0 mol de diiode et 5,0 mol d’ions thiosulfate.
1. Construire le tableau d’avancement de la réaction.
2. Déterminer le réactif limitant et la valeur de l’avancement
maximal xmax.
3. Quelle sera la composition du système à l’état final ?
4. Le mélange final sera-t-il coloré ? Justifier.
5. Calculer la concentration finale en ions I-(aq) dans le mélange si le volume total à la fin de la réaction est de 50 mL.
Corrigé de l'exercice-1:
 |
A l’état final: nf( I₂) = 0,5 mol , nf(S₂O₃³⁻) = 0 mol ,
nf ( I- ) =5mol nf(S₄O₆²⁻) = 2,5 mol
4. Le mélange final sera-t-il
coloré ? Justifier. Oui, le mélange final sera coloré car il reste encore du
diode à l’état final.
de 50 mL
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