Aurélie dec 04

Histoire d'acides ;

abaisser le pH de l'eau d'une piscine ; acide lactique ; acide et conductimétrie ; hélianthine

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La mise en solution dans l'eau du fluorure d'hydrogène HF et du chlorure d'hydrogène HCl conduit à des solutions acides, respectivement l'acide fluorhydrique et l'acide chlorhydrique.

Un logiciel a réalisé la simulation du dosage de VA = 20 mL d'acide fluorhydrique de concentration CA par une solution d'hydroxyde de sodium de concentration CB = 1,0 x 10-2 mol.L-1. Ce logiciel utilisé a permis la représentation simultanée :

- des variations du pH en fonction du volume de soude versé VB (courbe 1),

- des variations des concentrations molaires [HF(aq)] et [F-(aq)] (en mmol.L-1) en fonction du volume VB (courbes 2 et 3 non identifiées).

Données : Produit ionique de l'eau : Ke = [H3O+(aq)] [HO-(aq)] = 1,0 10-14

Zones de virage de quelques indicateurs colorés usuels :
indicateur
couleur
zone de virage


forme acide
forme basique


Vert de bromocrésol
jaune
bleu
3,8 - 5,4
Bleu de bromothymol
jaune
bleu
6,0 - 7,6
Rouge de méthyle
jaune
rouge
4,8 - 6
Rouge de crésol
jaune
rouge
7,2 - 8,8
  1. Identifiez les courbes 2 et 3 en justifiant l'évolution, avant et après l'équivalence, des concentrations molaires [HF(aq)] et [F-(aq)].
  2. L'acide fluorhydrique : À l'instant initial du dosage, déterminer :
    - Les concentrations [HF(aq)]0 et [F-(aq)]0, puis la concentration molaire apportée CA de l'acide.
    - La valeur pH0 du pH de l'acide fluorhydrique.
    - Écrire l'équation chimique de la mise en solution du fluorure d'hydrogène dans l'eau.
  3. Dosage de l'acide fluorhydrique : Écrire l'équation chimique de la réaction de titrage.
    - Déterminer graphiquement les coordonnées (VE ; pHE) du point d'équivalence E.
    - En déduire la concentration CA de l'acide fluorhydrique.
    - Quel(s) indicateur(s) coloré(s) conviendrai(en)t pour ce dosage ? Justifiez votre choix.
  4. Dosage de l'acide chlorhydrique : On souhaite simuler le dosage de VA = 20 mL d'acide chlorhydrique de concentration CA par la même solution d'hydroxyde de sodium. La réaction de dissolution du chlorure d'hydrogène dans l'eau est quasi-totale. En déduire :
    - La valeur du pH de l'acide chlorhydrique considéré.
    - Écrire l'équation chimique de la mise en solution du fluorure d'hydrogène dans l'eau.
    - L'équation de la réaction de titrage.
    - L'ion hydroxyde étant le réactif en excès après l'équivalence, la courbe 4 se superpose à la courbe 1 pour VB > VE. Tracez sur le graphe l'allure de la courbe 4.

corrigé
couples acide base mis en présence : HF / F- ; H2O/ HO-.

Lors du titrage, il y a transfert d'un proton de l'acide HF vers la base HO- : HF + HO- = F- + H2O

La concentration [HF] diminue puis s'annule àprès l'équivalence du titrage : donc courbe (3)

La concentration [F-] augmente jusqu'à l'équivalence puis diminue ensuite du fait de la dilution : courbe 2.

Concentrations [HF(aq)]0 = 7 mmol/L et [F-(aq)]0 = 3 mmol/L ( lecture courbes 2 et 3)

Concentration molaire apportée CA de l'acide = [HF(aq)]0 + [F-(aq)]0 = 10 mmol/L
La valeur pH0 du pH de l'acide fluorhydrique : 2,5 ( lecture courbe 1)
L'équation chimique de la mise en solution du fluorure d'hydrogène dans l'eau.

HF(aq) + H2O = H3O+(aq) + F-(aq)

L'équation chimique de la réaction de titrage.

HF + HO- = F- + H2O

Les coordonnées du point d'équivalence E :(VE = 20 mL ; pHE= 7 )
Concentration CA de l'acide fluorhydrique :

à l'équivalence les quantités de matière d'acide et de base sont en proportions stoéchiométriques CA VA = CB VE

soit CA = CB VE / VA = 0,01*20/20 = 0,01 mol/L.
La zone de virage de l'indicateur coloré doit contenir le pH à léquivalence : donc bleu de bromothymol.

Dissolution du chlorure d'hydrogène dans l'eau :

HF(aq) + H2O = H3O+(aq) + Cl-(aq)

réaction totale donc [ H3O+]= CA = 0,01 mol/L et pH= -log [ H3O+] = - log 0,01 = 2

L'équation de la réaction de titrage :

les couple en présence sont : H3O+ / H2O et H2O/ HO-.

il y a transfert d'un proton de l'acide H3O+ vers la base HO- :

H3O+ + HO-= 2H2O

Pour abaisser le pH des eaux d'une piscine, on peut utiliser une poudre appelée pH moins qui contient 17,8% en masse de bisulfate de sodium, ou hydrogénosulfate de sodium NaHSO4. On considère que les propriétés acido-basiques de cette poudre sont dues uniquement à la présence d'ions hydrogénosulfate HSO4-.

  1. Ecrire l'équation des réactions qui se produisent lorsqu'on introduit cette poudre dans l'eau.
  2. On ajoute 500 de cette poudre dans l'eau d'une piscine de volume 50 m3. Quelles sont les concentrations finales des ions obtenus, si seules les réactions envisagées à la question 1 se produisent?
corrigé
couples acide base : HSO4- / SO42- ; H3O+ / H2O.

HSO4- + H2O = H3O+ + SO42-

masse de NaHSO4 contenu dans 500 g de poudre : 500*0,178 = 89 g

masse molaire NaHSO4 : 23 +1 +32 + 4*16 = 120 g/mol

Qté de matière (mol) = masse (g) / masse molaire (g/mol)= 89/120 = 0,742 mol

NaHSO4 constitue le réactif limittant : (l'eau est en grand excès)

0,742 mol de NaHSO4 disparaissent et il se forme 0,742 mol H3O+ et 0,742 mol SO42-

concentration (mol/L) = Qté de matière (mol) / volume de la piscine (L)

[HSO4- ]fin = 0 ; [H3O+]fin =[SO42-]fin =[Na+]fin =0,742 / 5 104 = 1,48 10-5 mol/L

Par fermentation le lactose est transformé en acide lactique CH3-CHOH-COOH responsable de l'acidité du lait.On veut déterminer la concentration c d'un lait en acide lactique. On dose l'acide lactique par une solution de soude.

  1. Préparation de la solution de soude. On veut 100 mL d'une solution de soude à 1,0.10-2mol/L. Expliquer comment on l'obtient à partir d'une solution de soude à 2,0.10-2 mol/L. Nommer le materiel utilisé, justifier le choix des volumes, et indiquer le mode opératoire. Le materiel disponible est : pipette jaugées de 10, 20, 25 et 50 mL, fioles jaugées de 100, 500 et 1000mL, burettes de 50 mL, béchers.
  2. Dosage de l'acide lactique : dans un volume Va=20 mL de lait, on verse progressivement la solution de soude préalablement introduite dans une burette. Ecrire l'équation bilan de la reaction qui se produit
    - Définir l'équivalence.
    - Les mesures donnent l'équivalence pour un volume vE de soude versée, tel que : 3,0 mL< vE < 3,1mL On peut déduire de ces valeurs du volume deux valeurs c1 et c2 entre lesquelles se trouve la concentration c d'acide lactique avec c1 inférieur a c2. Calculer (c2-c1)/c2 l'écart relatif sur la mesure c.
corrigé
Le facteur de dilution est égal à deux.

Prélever 50 mL de solution mère à l'aide d'une pipette jaugée.

Placer dans la fiole jaugée de 100 mL et compléter avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge.

Agiter pour rendre homogène.

couples acide base : H2O/HO- ; CH3-CHOH-COOH / CH3-CHOH-COO-.

CH3-CHOH-COOH + HO- =CH3-CHOH-COO- + H2O

A l'équivalence les quantités de matière des réactifs sont en proportions stoéchiométriques

CbVéqui= CaVa soit Ca =CbVéqui/Va

C1 = 0,01*3/20 = 1,50 10-3 mol/L

C2= 0,01*3,1/20 = 1,55 10-3 mol/L

écart relatif : (1,55-1,50) / 1,55=3,2 10-2 ou 3,2 %.


Conductivité et réaction acido-basique

On dispose de deux solutions aqueuses S1 et S2 de même conductivité s. S1 est une solution de chlorure d' éthylammonium ( C2H5NH3+ + Cl-) de concentration c1. S2 est une solution d' hydroxyde de sodium ( Na+ + HO-) de concentration c2.

  1. On mélange deux volumes égaux de S1 et S2. La conductivité de la solution S3 obtenue est différente de la conductivité s. Montrer que ce résultat met en évidence le fait qu'une réaction chimique a eu lieu.
  2. Sachant que cette réaction est de type acido-basique, préciser en justifiant les couples acide-base mis en jeu et écrire l' équation chimique de la réaction.
  3. En déduire le sens de variation de la conductivité de la solution.
  4. Déterminer le réactif limitant de la réaction ainsi que les espèces présentes dans S3.

Données: l (C2H5NH3+ )= 4,05 10-3 S.m².mol-1 ; l (Na+)= 5,00 10-3 S.m².mol-1 ; l (Cl-)= 7,63 10-3 S.m².mol-1

l (HO-)= 19,8 10-3 S.m².mol-1.

corrigé
conductivité de S1 : s 1 = [ l (C2H5NH3+ )+l (Cl-) ]c1 = (4,05+7,63) 10-3 c1=11,68 10-3 c1.

conductivité de S2 : s 2 = [ l (Na+) +l (HO-) ]c2 = (5+19,8) 10-3 c2=24,8 10-3 c2.

or s 1 = s 2 donc c2< c1.

11,68 10-3 c1 = 24,8 10-3 c2 soit c1 =24,8/11,68 c2 = 2,12 c2.

conductivité du mélange en absence de réaction chimique : les quantités de matière de chaque ion reste constante, le volume de la solution double, donc les concentrations c1 et c2 sont divisées par 2.

mélange : s 3 = [ l (C2H5NH3+ )+l (Cl-) ]½c1+[ l (Na+) +l (HO-) ]½c2 = ½s 1 + ½s 2 .

or s 1 =s 2 donc s 3 = s 1 =s 2 .

or la conductivité du mélange a changé : donc l'hypothèse de l'absence de réaction chimique est fausse.

couples acide base : C2H5NH3+ / C2H5NH2 et H2O/HO-.

il y a transfert de proton entre l'acide C2H5NH3+ et la baseHO-.

C2H5NH3+ + HO- = C2H5NH2 + H2O.

Les quantités de matière des réactifs diminuent et les produits sont des molécules, n'intervenant pas dans l'expression de la conductivité. En conséquence la conductivité va diminuer car il y a moins d'ions en solution après réaction.
C2H5NH3+
+ HO-
= C2H5NH2
+ H2O.
initial
c1 v
c2 v
0
solvant en grande quantité
en cours
c1 v -x
c2 v -x
x
fin
c1 v -xmax

= c1 v - c2 v = (c1-c2)v
c2 v -x max =0
x max.
or c2 <c1 donc x max = c2 v et l'ion hydroxyde est en défaut.

[C2H5NH3+]fin =(c1-c2)v / (2v) = ½ (c1-c2)

[Na+]fin =c2 v/(2v) = ½c2 ; [Cl-]fin =c1 v/(2v) = ½c1 ;

conductivité du mélange s 3 = l (C2H5NH3+ )[C2H5NH3+]fin+ l (Cl-)[Cl-]fin + l (Na+) [Na+]fin

s 3 =½[ l (C2H5NH3+ )(c1-c2) + l (Cl-) c1 +l (Na+)c2]

s 3 =½ 10-3 [ 4,05 (c1-c2) + 7,63 c1 +5c2]


L'hélianthine est un colorant qui présente la propriété de changer de couleur en fonction du pH de la solution dans laquelle il se trouve.

Sa synthèse fait intervenir 5,0 g d'acide sulfanilique C6H7NO3S et 0,033 mol de diméthylaniline C8H11N, l'autre réactif (NaNO2) étant en excés. Elle permet d'obtenir 7,0 g d'hélianthine C14H14N3SO3Na.

  1. Ecrire l'équation de la réaction de synthése de l'hélianthine, les nombres stoechiométriques des espèces citées plus haut étant tous égaux à 1.
  2. Déterminer le réactif limitant et en déduire la quantité de matiére maximale d'hélianthine attendue, soit nmax.
  3. Calculer la quantité de matière d'hélianthine effectivement obtenue, soit nobtenue, et en déduire le rendement de la synthése défini par r =nobtenu/nmax.
  4. Les solutions acqueuses d'hélianthine, vendues dans le commerce, contiennent 0,040 % d'hélianthine en masse. Calculer - Le volume de solution que l'on peut préparer avec l'hélianthine obtenue ci-dessus.
    - La concentration molaire des solutions commerciales.

Données : Masse volumique de l'eau : 1,00g.cm-3

Masses molaires (g/mol): C:12 ; H:1; N:14; N:14; O:16; S:32; Na:23

corrigé
C6H7NO3S + C8H11N + NaNO2 = C14H14N3SO3Na + 2 H2O

C6H7NO3S : M= 6*12+7+14+3*16+32=173 g/mol

Qté matière (mol) = masse (g) / masse molaire (g/mol)= 5/173 = 0,029 mol

0,033 mol de diméthylaniline C8H11N donc en excès

xmax= 0,029 mol .

C14H14N3SO3Na : M= 14*12+14+3*14+32+3*16+23=327 g/mol

masse : 0,029*327 = 9,4 g

rendement 7/9,4 *100 = 74 %.

0,04% en masse : dans 1 L ou 1000 g il y a 4 10-4*1000=0,4 g d'hélianthine

volume de solution : 7/0,4=17,5 L.

Qté de matière (mol) dans 1 L) ou concentration = masse dans 1 L (g) / masse molaire (g/mol)

0,4 / 327 = 1,22 10 -3 mol/L.


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