On
se propose d’identifier 2 espèces chimiques acides différentes notées HA1
et HA2, en utilisant quelques mesures mettant en jeu différentes
techniques expérimentales. Tout d’abords, on prépare les deux solutions
aqueuses S1 et S2, à partir des espéces HA1 et
HA2 et d’eau distillée, de telle manière que la concentration en
soluté apporté soit cO = 1,0
x 10-2 mol.L-1 pour chacune d’elles. On considère que la
réaction de chaque espèce acide avec l’eau est instantanée.
a)
Nous allons tenter de différencier ces 2 espèces acides en observant leur
action sur l’eau, par l’intermédiaire d’une mesure de pH réalisées dans les
mêmes conditions pour chaque solution. Définir une espèce chimique acide selon
Brönsted.
b)
Ecrire l’équation qui représente la réaction d’une espèce acide quelconque HA
avec l’eau. Indiquer les 2 couples acide/base mis en jeu à cette occasion.
c)
On néglige toute autre réaction. Quelle relation a-t-on dans ces conditions
entre les quantités de matières de A- et H3O+ ?
a)
On réalise la mesure du pH, à 25°C, en utilisant un volume V = 200 mL de
chacune des 2 solutions S1 et S2. Des mesures précises de
pH pour S1 et S2 permettent de calculer leurs
concentrations effectives en ions oxonium :
[H3O+]1
= 1,3 x 10-3 mol.L-1
[H3O+]2
= 1,0 x 10-2 mol.L-1
Calculer
les quantités de matière en ions oxonium, n(H3O+)1
et n(H3O+)2
dans chaque solution.
b)
n(H3O+)1 . Calculer la quantité de matière
d’acide HA1 et HA2, initialement présente dans les 200 mL
de chaque solution avant toute réaction avec l’eau.
c)
Exprimer puis calculer l’avancement maximal de la réaction.
d)
Préciser la signification du taux d’avancement final et calculer t1 et t2 pour chaque réaction.
Conclusion.
Suivi
spectrophotométrique
L’une
des 2 réactions précédentes se caractérise par un taux d’avancement final
maximal. Pour identifier précisément l’espèce acide qui participe à cette
réaction, on introduit dans les 200 mL
de cette solution 4 mL d’une solution de peroxyde d’hydrogène (H2O2),
de concentration c = 0,10 mol.L-1.
On
observe alors l’apparition d’une coloration jaune très pâle qui se renforce
progressivement ; cette coloration est caractéristique du diiode en
solution aqueuse. La transformation d’oxydoréduction qui se produit est :
H2O2
(aq) + 2H3O+(aq) + 2I-(aq)
= 4H20 + I2(aq) (1)
a)
Par spectrophotométrie, on établit la courbe qui représente l’évolution de la
concentration en diode formée au cours du temps, ce qui permet de suivre le
déroulement de la réaction. Tracer les tangentes à la courbe aux points
d’abscisse : t = 0 min ; t = 20 min ;
t = 60 min ; Indiquer
comment varie la vitesse de réaction au cours du temps. Justifier cette
évolution.
b)
A quelle date la vitesse de la réaction est maximale (justifier)?
c)
Donner la définition du temps de demi-réaction t1/2. Faire sa
détermination graphique sur la courbe et indiquer sa valeur.
d)
Calculer la vitesse volumique à cet instant.
a)
La réaction (1) représente une transformation d’oxydoréduction. Identifier les
2 couples oxydant/réducteur mis en jeu dans cette équation.
b)
Ecrire les demi-réaction correspondantes.
c) Quelle est l’espèce chimique qui subit une
oxydation ?
d)
Identifier l’espèce chimique acide recherchée HA en donnant sa formule.
Pour
identifier à présent l’autre acide, on réalise une mesure de conductivité de la
solution ; on immerge la cellule d’un conductimètre dans les 200 mL de
solution utilisée au Q2 a. ; on obtient sexp = 53,4 mS.m-1.
La conductivité d’une solution est liée à la concentration effective des
espèces chargées en solution par la relation suivante :
s
= (l
x+ .[X+] + l y-.[Y-])
(
pour une solution contenant les ions X+ et Y-)
a)
Exprimer cette relation pour la solution acide étudiée, en considérant
uniquement les ions formés après réaction de l’acide avec l’eau.
b)
En utilisant les résultats du Q1 c, exprimer la conductivité molaire ioniques lA- de la base conjuguée de
l’espèce acide, en fonction des autres grandeurs, s, l(H3O+),
[H3O+]. Calculer sa valeur (utiliser la question Q2)
c)
En considérant les valeurs de conductivité molaires ioniques du tableau
ci-dessous, identifier la nature de la base conjuguée présente en solution.
Donner la formule du deuxième acide recherché.
formule
de l’ion |
H3O+ |
NO3- |
HCOO- |
HO- |
CN- |
l(mS.m2.mol-1 |
35,0 |
7,14 |
5,46 |
19,9 |
7,80 |