Chapitre 4 : équilibre chimique, constante de réaction et d’équilibre

Espèces chimiques en solution (Guadeloupe septembre 2003) corrigé

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.

 

Q1

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?

 

Q2

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.

 

Q3

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.

 

 

Q4

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.

 

 

Q5

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