RÉACTIONS TOTALES ? (2008 Amérique du nord )

1. L’ammoniac

1.1. Le taux d’avancement de la réaction est égal au rapport de l’avancement final x_f sur l’avancement maximal :

1.2. t < 1, la réaction n’est donc pas totale, elle est partielle (la réaction dans le sens indirecte est possible)

1.3.

Équation de la réaction		N2(g) + 3 H2(g) = 2 NH3(g)
État	Avancement	n(N2) en mol	n(H2) en mol	n(NH3) en mol
Initial	0	1,0.10^2	3,0.10^2	0
En cours	x	1,0.10^2 – x	3,0.10^2 – 3.x	2.x
Final	xf	1,0.10^2 – xf	3,0.10^2 – 3.xf	2.xf

Calcul de x_f :

x_f = t.x_max.

Le mélange contient 1,0.10² mol de diazote et 3,0.10² mol de dihydrogène. Les réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiométriques en effet :

N_{2 (g)} + 3 H_{2 (g)} = 2 NH_{3 (g)}

n(N₂)_initial -x_max = O donc : x = 1,0.10² mol.

x_f = t.x_max = 0,7x10² = 70 mol

La composition finale du mélange est :

n(N₂) = 1,0´10² – 70 = 30 mol

n(H₂) = 3,0´10² – 3´70 = 90 mol

n(NH₃) = 2.x_f = 2´70 = 1,4´10² mol

1.4. D’un point de vue microscopique plus la température est élevée plus la vitesse des molécules est importante : les chocs entre les molécules sont plus nombreux ,la vitesse de la réaction augmente.

1.5. Le catalyseur permet d’augmenter la vitesse de réaction sans intervenir dans son équation bilan.

2. La solution aqueuse d’ammoniac

2.1. Quantité de matière d’ammoniac dissoute :

2.1. Une base selon Bronsted est une espèce chimique capable de capter un proton H⁺.

2.2.2. Réaction modélisant la transformation chimique de l’ammoniac avec l’eau.

NH_3(aq) + H₂O_(l) = NH₄⁺_(aq) + HO^–_(aq)

2.2.3. n(HO^-_(aq))_éq = [HO^-_(aq)]_éq.V_S

le porduit ionique de l’eau vaut :

K_e = [H₃O⁺_(aq)]_éq. [HO^–_(aq)]_éq.

[H₃O⁺_(aq)]_éq = 10^–pH

K_e = 10^–pH. [HO^–_(aq)]_éq.

2.2.4. NH_3(aq) + H₂O_(l) = NH₄⁺_(aq) + HO^–_(aq)

Si la transformation chimique était totale :

n_o – x_max = 0 x_max = 1,0x10^-2 mol

or x_f = n(HO^-)_formé = 4,0x10^-4 mol

x_f < x_max la réaction n’est pas totale.

2.3.1. NH_3(aq) + H₂O_(l) = NH₄⁺_(aq) + HO^–_(aq). Constante d’équilibre associée :

2.3.2. NH₄⁺_(aq) + H₂O_(l) = NH_3(aq) + H₃O⁺_(aq)

3. Étude d’un mélange d’acide éthanoïque et d’une solution aqueuse d’ammoniac

3.1.1. CH₃CO₂H_(aq) + NH_3(aq) = CH₃CO₂^– _(aq) + NH₄⁺_(aq) (équation 1)

On multiplie le dénominateur et le numérateur par [H₃O⁺]

3.1.2. Dans l’état initial :

[CH₃CO₂^– ]= [NH₄⁺] = 0

Q_{r, i} = 0

Q_{r, i} < Q_r,_éq Le système va évoluer dans le sens direct de la réaction.

3.2. Composition du mélange

3.2.1. Diagramme de prédominance des espèces :

3.2.2. Le pH du mélange est : pH = 9,2 = pKa2 par conséquent

[NH₃]_éq = [NH₄⁺]_éq

3.3. CH₃CO₂H_(aq) + NH_3(aq) = CH₃CO₂^– _(aq) + NH₄⁺_(aq)

D’après l’équation 1, il se forme la même quantité de matière d’ions éthanoate que d’ions ammonium :

[NH₄⁺]_éq = [CH₃CO₂^–]_éq.