Chimie - PCSI - 1 Transformations matière · Cas des solutions 3) Constituants physico-chimiques ;...

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Page 1 sur 24 TRANSFORMATIONS DE LA MATIÈRE PLAN DU COURS Chapitre 1 : Systèmes physico-chimiques I Les phases et leur description 1) Paramètres intensifs et extensifs 2) Définition d’une phase 3) État physique d’une phase Cas du gaz parfait ; équation d’état II Corps purs et mélanges 1) Corps pur 2) Mélanges ; paramètres de composition Cas des solutions 3) Constituants physico-chimiques ; classification des transformations III Diagramme de phases du corps pur 1) Construction du diagramme de phases de l’eau 2) Utilisation du diagramme de phases de l’eau ; changement d’état 3) Diagrammes de phases d’autres corps pur Capacités à maîtriser à l’issue de ce chapitre : Reconnaître la nature d’une transformation Déterminer l’état physique d’une espèce chimique pour des conditions expérimentales données de et Recenser les constituants physico-chimiques présents dans un système Décrire la composition d’un système à l’aide des grandeurs physiques pertinentes

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    TRANSFORMATIONSDELAMATIÈRE

    PLANDUCOURS

    Chapitre1: Systèmesphysico-chimiquesI Lesphasesetleurdescription

    1) Paramètresintensifsetextensifs2) Définitiond’unephase3) Étatphysiqued’unephase

    Casdugazparfait;équationd’état

    II Corpspursetmélanges1) Corpspur2) Mélanges;paramètresdecomposition

    Casdessolutions3) Constituantsphysico-chimiques;classificationdestransformations

    III Diagrammedephasesducorpspur1) Constructiondudiagrammedephasesdel’eau2) Utilisationdudiagrammedephasesdel’eau;changementd’état3) Diagrammesdephasesd’autrescorpspur

    Capacitésàmaîtriseràl’issuedecechapitre: Reconnaîtrelanatured’unetransformation Déterminerl’étatphysiqued’uneespècechimiquepourdesconditionsexpérimentales donnéesde𝑝et𝑇 Recenserlesconstituantsphysico-chimiquesprésentsdansunsystème Décrirelacompositiond’unsystèmeàl’aidedesgrandeursphysiquespertinentes

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    Chapitre2: ÉvolutionetéquilibreI Modélisationd’unetransformationphysico-chimique;équation

    deréaction1) Laréactionchimique2) Transformationdueàplusieursréactionschimiquessimultanées

    II Bilandematière;avancement

    III Principesfondamentauxdethermodynamiquechimique1) Activitéd’unconstituantphysico-chimique2) Quotientréactionnel3) LoideGuldbergetWaage

    Critèrethermodynamiqued’évolutionetd’équilibred’unsystèmeApplication:prévisiondel’étatfinal

    IV TP:Déterminationdeconstantesd’équilibre

    Capacitésàmaîtriseràl’issuedecechapitre: Écrirel’équationdelaréactionquimodéliseunetransformationchimiquedonnée

    Détermineruneconstanted’équilibreexpérimentalement(TP) Décrirequalitativementetquantitativementunsystèmechimiquedansl’étatinitialoudansun étatd’avancementquelconque Exprimerl’activitéd’uneespècechimiquepureoudansunmélangedanslecasdesolutions aqueusestrèsdiluéesoudemélangesdegazparfaitsavecréférenceàl’étatstandard Exprimerlequotientréactionnel Prévoirlesensd’évolutionspontanéed’unsystèmechimique Identifierunétatd’équilibrechimique Déterminerlacompositionchimiquedusystèmedansl’étatfinal,endistinguantlescas d’équilibrechimiqueetdetransformationtotale,pourunetransformationmodélisée paruneréactionchimiqueunique.

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    DOCUMENTSDECOURSDocument1: Quelquesexemplesdetransformationsnucléaires

    Fusiondel’hydrogènedansuneétoile(bilanglobal):

    4 H!"" → He#!#$ + 2𝑒! + 2𝜈%Fissioninduitedel’uranium235dansunréacteurnucléaire:

    U+ 𝑛&"'##() → Kr(*'# + Ba)*"$" + 3 𝑛&" Radioactivité:

    bêta+ F'"+ → O,+"+ + 𝑒! + 𝜈%

    alpha U'##(+ → Th'($ #, + He#!#$

    bêta- Co#-*& → Ni!#+*& + 𝑒, + 𝜈%8

    Document2: ConcentrationmolaireensolutionOnveilleraànepasconfondrelaconcentrationd’unesolutionenuncorpspurdissousetlaconcentrationd’unsolutédansunesolution.

    A)Concentrationd’unesolutionenuncorpspurA

    Onconsidèreunesolutionaqueuselimpidedevolume𝑉,danslaquelleaétédissouteunequantitédematière𝑛Ad’uncorpspurA(initialementsolide,liquideougazeux…).LaconcentrationdelasolutionenA,toujoursnotéeparlalettre𝐶,estdéfiniepar:

    𝐶A =𝑛A𝑉

    BiennoterquelecorpspurAn’estplusprésentdanslasolution.Ils’esttransforméenunouplusieurssolutés,ceàquoicettedéfinitionnes’intéressepasapriori.

    CetteconcentrationestuneCONSTANTE:donnéeinitialed’unproblème,valeurd’unesolutionpréparée(voirdocumentsuivant),ouvaleurquel’onchercheàdéterminerparanalysed’unesolution(dosage).

    B)Concentrationd’unsolutéXdansunesolution

    Laconcentrationd’unsolutédansunesolution,notée[X],estdéfiniepar:

    [X] =𝑛X𝑉

    …où𝑛#désignelaquantitédematièredecesolutéeffectivementprésentedanslasolutionet𝑉levolumedelasolution.

    CetteconcentrationestuneVARIABLE.ElleestamenéeàévoluerenfonctiondestransformationséventuellesquevasubirlesolutéX.

    N.B.L’unitéS.I.deconcentrationestlamol⋅m$%.Cetteunitén’estquasimentjamaisutilisée.Onluipréfèrepresquetoujourslamol⋅L$𝟏.

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    Document3: Préparationd’unesolutiondeconcentration𝑪𝑨

    Laconcentrationétantdéfiniepar𝐶' =(!),où𝑉estlevolumedelasolutionpréparée,oncommence

    parchoisirlevolumedesolutiondontonabesoinetonseprocureunefiolejaugéedevolume𝑉* = 𝑉.

    Ilexistealorsdeuxmoyensdepréparerlasolution:

    A)PardissolutionducorpspurA,solideouliquide-Onrinceàl’eaudistilléelafiolejaugéedevolume𝑉* .-Oncalculelaquantité𝑛' = 𝐶'𝑉*ducorpsqu’ilfautdissoudre,etonlaprélève…

    -pourunsolide:dansunecoupelleouunsabotdepeséeposésurunebalance(calculerlamasseàpréleverpar:𝑚' = 𝑛'𝑀')-pourunliquide:directementdanslafioleposéesurunebalanceoubien,sionconnaîtlamassevolumique𝜌',avecunepipettegraduéeoujaugée,devolume𝑉+ =

    ,!-!.

    -Onintroduitceprélèvementdanslafiolejaugée;sic’estunsolide,onrincelacoupelleenintroduisantl’eauderinçagedanslafiole.-Onajoutedel’eaudistilléedanslafioleenagitantrégulièrementpourhomogénéiser,jusqu’àapprocherletraitdejauge.-Oneffectuelamiseautrait(basduménisque)etonagiteunedernièrefoispourhomogénéiser.Attention:ilpeutêtrenécessaired’agiterlonguement,carcertainesdissolutionssontlentes,surtoutlorsqu’onestprochedelasaturation.

    B)Pardilutiond’unesolutionmèredeconcentration𝑪𝒎-Onrinceàl’eaudistilléelafiolejaugéedevolume𝑉* .-Oncalculelevolume𝑉+desolutionmèreàprélever.Laquantitédesolutéàintroduireétant𝑛' =𝐶'𝑉* ,ilfautprélever𝑉+ =

    (!/"= 𝑉*

    /!/"desolutionmère(remarque:lerapport𝜆 = /"

    /!estappeléfacteur

    dedilution;ainsi,pourdiluer𝜆foisunesolution,ilfaututiliserunepipettedevolume𝑉+ =)#0).

    -Onrinceunepipettejaugée(ou,àdéfaut,graduée)devolume𝑉+avecdel’eaudistillée,puisavecunpeudesolutionmère,puisonprélèvelaquantité𝑉+,quel’onintroduitdanslafiolejaugée.-Onajoutedel’eaudistilléedanslafioleenagitantrégulièrementpourhomogénéiser,jusqu’àapprocherletraitdejauge.-Oneffectuelamiseautrait(basduménisque)etonagiteunedernièrefoispourhomogénéiser.

    Dissolutionoudilution:quelleméthodechoisir?Ilfautchoisirlaméthodepermettantd’obtenirlameilleureprécisionfinale(descalculsd’incertitudeserontfaitsenTP).Enparticulier,onnepeutpaspréleveravecuneprécisionsuffisantedesquantitéstropfaiblesd’uncorpspur.Engénéral,ladilutionestplusprécisepourobtenirlesconcentrationslesplusfaibles.Pourpréparerunesolutiontrèsdiluéeenpartantducorpscondensé,ilpeutêtrejudicieuxdepréparerd’abordpardissolutionunesolutionplusconcentrée,etdeladiluerensuite.

    Sécurité:Onconsulteratoujourslesfichesdesécuritéducorpsquel’ondissoutouquel’ondilueetonprendralesprécautionsadéquates(gants,lunettes,prélèvementsouslahotte…).Danslecasdedissolutionoudilutiontrèsexothermique,onremplitaupréalablelafiolejaugéeàmoitiéd’eaudistilléeetonlaplaceéventuellementdansuncristallisoireau-glace.

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    Document4: Pressiondevapeurdel’eausolideetliquidea)pressiondevapeurdelaglace

    b)pressiondevapeurdel’eauliquide

    (suitepagesuivante…)

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    Document5: Vocabulairedeschangementsd’état vaporisation sublimation liqué- conden- faction

    sation fusion solidification

    gaz

    solide liquide

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    Document6: Aspectmicroscopiquedelavaporisationdel’eau

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    Document7: Diagrammedephasesdel’eau

    LaglaceIcou«glacediamant» LaglaceIh,hexagonale(glacecourante)

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    Document8: DiagrammesdephasesdecorpspursCarbone

    Soufre

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    Silice(SiO𝟐) état cristallisé état amorphe

    le quartz le verre

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    Document9: Équationd’uneréactionchimiqueetnombresstœchiométriquesalgébriques

    Uneréactionchimiqueestunetransformationoùdesconstituantsphysico-chimiquessontconsommésetproduitsdansdesproportionsdéfinies.Cetteréactionchimiqueestsymboliséeparuneéquationderéaction,quitraduitlaconservationdechaqueélémentchimiqueainsiquelaconservationdelachargeélectriqueautraversdesnombresstœchiométriquesajustés.

    Parexemple,pouruneréactionchimiqued’oxydoréductionensolutionaqueuse:

    2Hg(aq)56 + 2Fe(aq)

    56 = Hg556(aq) + 2Fe(aq)%6

    Lesdifférentsnombresfigurantdevantlesconstituantss’appellentlesnombresstœchiométriques.Onpeutlesnoter𝑠7 .Cesontdesnombresnonalgébriques.Ainsi,pourl’exempleci-dessus:𝑠Hg(aq)() = 2;𝑠Fe(aq)() = 2;𝑠Hg(()(aq)

    = 1;𝑠Fe(aq)*) = 2.

    N.B.:Leséquationschimiques4Hg(aq)56 + 4Fe(aq)

    56 = 2Hg556(aq) + 4Fe(aq)%6 ,ouencore

    Hg(aq)56 +Fe(aq)

    56 = 85Hg556(aq) +Fe(aq)

    %6 …auraientpuaussibienêtrechoisiespourreprésenterlamêmeréaction.Ellestraduisentdelamêmefaçonlaconservationdesélémentsetdelacharge.Lesnombresstœchiométriquesreprésententdesproportions;cesontdesnombresrationnels.

    Orientation:

    • Apriori,uneréactionchimiqueécriteaveclesigne=n’estpasorientée,cequiveutdirequ’apriori,lesdeuxprocessuspeuventavoirlieu:2Hg(aq)

    56 + 2Fe(aq)56 devenantHg556(aq) + 2Fe(aq)

    %6 ,oubienlecontraire.Autrementdit,unemêmeréactionchimiquepeutdonnerlieuàunetransformationchimiquedansunsensoudansl’autreouàunéquilibre,selonlesconditionsopératoires.

    • Cependant,onconvientd’orienterconventionnellementlesréactionschimiquesselonlesenschoisipourécrirel’équation,endistinguantlesconstituantsdegaucheetlesconstituantsdedroite.

    2Hg(aq)56 + 2Fe(aq)

    56 = Hg556(aq) + 2Fe(aq)%6

    constituantsdegauche constituantsdedroite

    Dansunsoucidegénéralisation,afind’éviterdedevoirécriredesformules«pourlescomposésdedroite»etdesformules«pourlescomposésdegauche»,onpermetalorsd’écrirel’équationchimiquesouslaformemathématiquesuivante:0 = −2Hg(aq)

    56 − 2Fe(aq)56 + Hg556(aq) + 2Fe(aq)

    %6 .Ainsi,onobtientuneécritureoùcertainsnombressontpositifsetcertainsnégatifs,cequiconduitàdéfinirlanotiondenombrestœchiométriquealgébrique𝝂𝒊(𝜈estlalettregrecque«nu»):

    Soitunconstituantdenombrestœchiométrique𝑠7 :

    - s’ilfigureàdroitedansl’équationchimique,sonnombrestœchiométriquealgébrique𝜈7 estégalà𝑠7 affectédusigne+:𝜈7 = +𝑠7

    - s’ilfigureàgauchedansl’équationchimique,sonnombrestœchiométriquealgébrique𝜈7 estégalà𝑠7 affectédusigne :𝜈7 = −𝑠7

    Applicationàl’exemple:𝜈Hg(aq)() = −2;𝜈Fe(aq)() = −2;𝜈Hg(()(aq)= +1;𝜈Fe(aq)*) = +2.

    -

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    Ainsi,l’écrituregénéraled’uneéquationchimiquequelconquepeutsefairesouslaforme:

    0 =B𝜈7 A77

    avec𝜈7 ∈ ℚlesnombresstœchiométriquesalgébriquesetA7 lesconstituantsphysico-chimiques

    • Lesconstituantssontaprioriécritsàdroiteouàgaucheselonunchoixarbitraire:lasimpleécrituredel’équationderéactionnepermetpasdesavoirdansquelsensunetransformationchimiqueéventuelleauraitlieusionmettaitenprésencelesquatreionsenquestionensolutionaqueuse,cartoutdépenddesconditionsopératoires!

    Toutefois,laplupartdutemps,onseplacedansdesconditionsinitialestellesquelatransformationchimiquesedérouledansunsensbiendéterminé.Parexemple,sionmélangeunesolutioncontenantdesionsHg(aq)

    56 avecuneautrecontenantdesionsFe(aq)56 ,sansaucuneprésenceinitialedeHg556(aq)ni

    Fe(aq)%6 ,alorsonobserveranécessairementladiminutiondesquantitésdeHg(aq)

    56 etFe(aq)56 et

    l’augmentationdesquantitésdeHg556(aq)etFe(aq)%6 :lespremierssontalorsappeléslesréactifsetles

    seconds,lesproduits.Danscecas,lorsqu’onconnaîtlesensd’évolutiondelatransformation,onpréféreraécrirelesréactifsàgauche,lesproduitsàdroite.

    Enfin,ilnefautjamaisperdredevuelasignificationetl’utilitédel’équationd’uneréaction:symboliserlatransformationmacroscopiquedeconstituantsend’autresetréaliserdesbilansdematière(voirdocumentsuivant).Ainsi,lemêmeconstituantphysico-chimiquenedoitjamaisapparaîtreplusieursfoisdansunemêmeéquation.Parexemple,onnemodélisepasladissolutionduselpar:NaCl(s) + H5O(ℓ) = Na(aq)

    6 + Cl(aq)$ + H5O(ℓ),

    maispar:NaCl(s) = Na(aq)6 + Cl(aq)

    $

    Document10: Avancement𝝃d’uneréactionchimiqueSoituneréactionchimiqueuniqued’équation0 = ∑ 𝜈7 A77 sedéroulantdansunsystèmefermé.Onchoisituninstantinitial𝑡 = 0etonnote𝑛7,=lesquantitésdematièredesconstituantsA7 àcetinstant.L’avancementestalorsposénul:𝜉 = 0à𝑡 = 0.(𝜉estlalettregrecque«xi»).Àuninstantultérieur𝑡,ladéfinitiond’unnombrestœchiométriquepermetd’affirmerquelaquantitéforméed’unconstituantA7 estproportionnelleà𝜈7 .L’avancement𝜉estlefacteurdeproportionnalitépermettantdecalculertouteslesquantitésdematièredansunbilandematièrepar:

    𝑛7 = 𝑛7,= + 𝜈7 ⋅ 𝜉

    • Enpratique,onmesureunequantitédematièreetoncalculel’avancementpar:

    𝜉 =M𝑛7 − 𝑛7,=N

    𝜈7

    • L’avancements’exprimeenmoles.

    • Onnoteraimpérativementl’avancementparlalettre𝜉.Lalettre𝑥seraréservéeexclusivementàl’avancementvolumique(voirci-après).

    Exemplepourlaréaction:2Hg(aq)56 + 2Fe(aq)

    56 = Hg556(aq) + 2Fe(aq)%6

    avancement Hg(aq)56 Fe(aq)

    56 Hg556(aq) Fe(aq)%6

    𝑡 = 0 0 𝑛8,= 𝑛5,= 𝑛%,= 𝑛>,=

    𝑡 𝜉 𝑛8,= − 2𝜉 𝑛5,= − 2𝜉 𝑛%,= + 𝜉 𝑛>,= + 2𝜉Tableaudequantitésdematièresenmoles

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    • Afind’utiliserunegrandeurhomogèneàuneconcentration,ondéfinitégalementl’avancementvolumique,noté𝜉) ou𝑥,par:𝑥 =

    ?),où𝑉estlevolumedusystème.L’utilisationdel’avancement

    volumique𝑥danslesbilansdematièreestparticulièrementrecommandéesilesystèmeesthomogène,uniformeetsi𝑽 = 𝑪𝒕𝒆cardanscecas:

    [A7] = [A7]= + 𝜈7 ⋅ 𝑥

    • L’avancementvolumique𝑥s’exprimeenmol ⋅ L$𝟏.

    Lesremarquessuivantess’appliquentàl’avancementouàl’avancementvolumique:

    • Danslecasoùonaprissoind’écrirelesréactifsàgaucheetlesproduitsàdroite,l’avancementestunegrandeurpositive.

    • Deplus,l’avancementnepeutjamaisexcéderunevaleurappeléeavancementmaximaletnotée𝝃𝒎𝒂𝒙.Eneffet,laréactionnepeutcontinuerlorsqu’ilyaépuisementduréactifendéfaut,réactifaussiappeléréactiflimitant.

    Commentdéterminerleréactiflimitant?…C’estleréactifdontlaquantitédematières’annulelapremièrelorsque𝜉augmente...Onrésoutdonc𝑛7,= + 𝜈7 ⋅ 𝜉 = 0pourchaqueréactif;leréactifdonnantlepluspetitavancementestalorsleréactiflimitantetl’avancementestalorsl’avancementmaximal𝜉,BCdelaréaction.

    Enrésumé,pouruneréactionévoluantdanslesensdirect(réactifsécritsàdroiteetproduitsécritsàgauche):𝟎 ≤ 𝝃 ≤ 𝝃𝒎𝒂𝒙,où𝜉,BCcorrespondàl’épuisementduréactiflimitant)

    Onrappellequ’ungrandnombrederéactionschimiquesconduisentenréalitéàdeséquilibres,cequiveutdirequel’avancementfinal𝜉*n’atteintpaslavaleur𝜉,BC .Deuxremarquespourfinir…

    • L’avancementestdéfiniàpartirdel’équationdécrivantlaréactionchimiqueétudiée;ildépendeneffetdesnombresstœchiométriques.Ainsi,sionchanged’équationpourdécrirelamêmeréaction,l’avancementestégalementmodifié.Parexemplesionchoisitdemultipliertousles𝜈7 parunmême𝜆,l’avancementestdivisépar𝜆.

    • Ondéfinitaussilagrandeurappeléetauxd’avancement,notée𝜏:

    𝜏 = 𝛼 =𝜉

    𝜉,BC

    Ainsi,si𝜉 = 𝜉,BC ,laréactionesttotaleet𝜏 = 𝛼 = 1(100%).

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    EXERCICESChapitre1

    1 SOLIDESIONIQUESLessolidesioniquessontconstituésauniveaumicroscopiqueparunempilementd’ions.Ainsi,lechloruredesodium(seldetable),estconstituéd’unempilementdecationsNa6etd’anionsCl$selonunréseaucristallin,donclamailleestdessinéeci-dessous. anionCl$ cationNa6Commetouslescorps,lechloruredesodiumestélectriquementneutre:ilyaautantd’ionsNa6qued’ionsCl$.OndésignecetteespècechimiqueparlaformuleNaCl,quisignifieNa8Cl8(1ionNa6pour1ionCl$).

    Danslecasduchloruredecalcium,lesentitésconstitutivessontlesionsCa56etCl$.LaformuledecesolideioniqueestdoncCaCl5(2ionsCl$pour1ionCa56)afind’assurerlaneutralitéducristal.Lesentierschoisispourexprimerlaformuledel’espècechimiquesontlespluspetitsentierspossiblesexprimantlesproportionsdesdifférentsions.

    1) Compléterletableausuivant,comportantdanschaquecaselaformulereprésentantlesolideioniqueconstituédescationsdelapremièreligneassociésauxanionsdelapremièrecolonne:

    cationsanions Na

    6 Cu56 Fe%6

    Cl$ NaCl KCl

    Cu(SO>) Zn(SO>)

    CO%5$

    2) Pourchaqueiondutableau,précisers’ils’agitd’unionmonoatomiqueoud’unionmoléculaire.3) Écrirel’équationdelaréactiondedissolutiondecessolidesioniquesdansl’eau.

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    2 COMPOSITIONDEPHASESMélangegazeux

    Onconsidèreuneenceintehermétiqueindilatabledevolume𝑉 = 12,0L,contenantinitialementdel’airsouspression𝑝= = 1,00barà𝑇= = 298K.L’airseramodéliséparunmélangedecompositionmolaire20%enO5et80%enN5.

    Oninjectedanscetteenceinteunemasse𝑚8 = 3,6gd’eau,puisonportelatempératureà𝑇 = 400K.Danscesconditions,l’eauestintégralementvaporisée.Onobtientdoncunmélangegazeuxhomogène.

    Déterminerlapressionquirègnealorsdansl’enceinte,ainsiquelesfractionsmolairesetlespressionspartiellesdesdifférentsconstituantsdumélange.

    Lesgazserontmodéliséscommedesgazparfaits.Constantedesgazparfaits:𝑅 = 8,31J⋅mol$8⋅K$8Massemolairedel’eau:𝑀DBE = 18,0g⋅mol$8

    DegréalcooliqueOnsouhaitepréparerunmélanged’eauetd’éthanol,dedegréalcoolique14,0°.Pourcefaire,onintroduit14,0mLd’éthanoldansunefiolejaugéede100,0mL,etoncomplèteautraitdejaugeavecdel’eaudistillée,toutenagitantrégulièrement.Onmesureunemassevolumiquede0,976g⋅cm$%pourcettesolutionà20℃.

    Déterminerlafractionmolaireenéthanoldecettesolution,safractionmassiqueetsaconcentration.

    Massesvolumiquesà20℃eng⋅cm$%: Éthanolpur:0,789 Eaupure:0,998Massesmolaires: Éthanol:𝑀éGH = 46,1g⋅mol$8 Eau:𝑀DBE = 18,0g⋅mol$8

    MélangedesolutionsOnmélange𝑉8 = 40,0mLd’unesolutionaqueusedechloruremercureuxHg5Cl5deconcentration𝐶8 = 1,0 ⋅ 10$%mol⋅L$8avec𝑉5 = 10,0mLd’unesolutionaqueusedechloruremercuriqueHgCl5deconcentration𝐶5 = 2,0 ⋅ 10$%mol⋅L$8.Aprèsagitation,onobtientunesolutionuniforme,devolume𝑉 = 𝑉8 + 𝑉5 = 50,0mL.

    Déterminerlaconcentration[X]dechacundesionsprésentsdanscettesolution.

    Indications:l’ionchlorureestl’ionmonoatomiqueCl$;l’ionmercureuxestuncationmoléculaire,constituédedeuxatomesdemercureliésparliaisoncovalenteetayantperdudeuxélectrons,notéHg556.

    3 PRÉPARATIONDESOLUTIONSAQUEUSESEndissolvantdessolides...

    Ondisposed’unefiolejaugéede𝑉 = 500mL.Onessaied’ydissoudredansdel’eaudistilléelescomposéssuivants:

    1) 20,0gdesulfateferrique(Fe5(SO>)%);2) 13,5gdechlorureferriquehexahydraté(FeCl%, 6H5O);3) 10,0gdechloruredeplomb(PbCl5);4) 30,0gdeglucose(CIH85OI).

    Danschaquecas,ondemanded’écrirelaréactiondedissolution,dedéterminersionobtientunesolutionlimpideousaturée,dedéterminerl’étatfinaldusystème:phasesenprésenceetconcentrationdesespèceschimiquesdanslasolution.

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    Données:

    Massesmolaireseng⋅mol$8: H:1,0;C:12,0;O:16,0;S:32,1;Cl:35,5;Fe:55,8;Pb:207,2Solubilitésdansl’eauenmol⋅L$8: PbCl5:1,43 ⋅ 10$5 Fe5(SO>)%:7,8 FeCl%:5,67 glucose:4,99

    Endiluantunesolutioncommerciale...Onveutpréparerunlitred’unesolutionaqueused’acidechlorhydriquedeconcentrationégaleà0,100mol⋅L$8,àpartird’unesolutionconcentréedecetacidedontlabouteilleindiquelesinformationssuivantes: «HClà32%enmasse,densité:1,16»

    Indiquerunefaçonraisonnabledepréparerlasolutiondiluéedemandée.

    Undosagedelasolutionainsipréparéeindiquequelaconcentrationestenfaitde0,094mol⋅L$8.Quelpourraitêtrel’originedecetécart?

    4 QU’YA-T-ILDANSCETTEBOUTEILLE?Ondonneicilamentionquifiguresurl’étiquettedebouteillesquel’ontrouvefréquemmentdansunlaboratoiredechimie:1) Eaudistillée2) Soude0,1M3) Na5CO%à10%4) Étheranhydre5) KClsaturé6) HClconcentréPourchacunedecesbouteilles,indiquersiellecontientunsystèmehomogèneouhétérogène(sansprendreencomptelaphasegazeuseéventuellementprésentedanslabouteille).Leliquideest-iluncorpspurouunesolution?Sic’estuncorpspur,donnerlanaturedel’espècechimique,etindiquerquelvolumeilfautpréleversionveutobtenir1moledecetteespèce.Sic’estunesolution,donnerlanaturedusolvantetlaconcentrationenmol⋅L$8detouslessolutés.

    Lesdonnéesnécessairesserontàrechercherparvossoins(tables,siteinternetfiable…).

    5 DIAGRAMMEDEPHASESDEL’HÉLIUMLapremièreliquéfactiondel’héliumestattribuéeauphysicienhollandaisHeikeKamerlinghOnnes,quil’aréaliséeen1907.ElleluiavaluleprixNobelen1913.Ilatteintalorsunetempératured’environ–271,5°C,soitunpeuplusde1degréau-dessusduzéroabsolu.Cetteliquéfactionaouvertlavoieverslacryogénieàl’héliumetapermisladécouvertedelasupraconductivitétroisansplustard.L’étatsuperfluideestunétatneprésentantaucuneviscosité,quiaétéidentifiécommetelen1937parPiotrKapitsa(prixNobeldePhysique1978).

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    1) Quelestl’étatphysiquedel’héliumdansunballondefêteforainegonfléà1,2bar?Quelestl’intérêtd’untelballongonfléàl’hélium?

    2) Quesepasse-t-ilsioncomprimeprogressivementleballonprécédent,àtempératureconstante?Peut-onobserverlaliquéfactiondel’hélium?sasolidification?

    3) Del’héliumestrefroidiprogressivementsouslapressionconstantede1bar.Décrirelesphénomènesobservéssuccessivement.Quelleestlaparticularitéremarquabledel’héliumparrapportauxautrescorpspurs?

    6 DEL’EAUDANSLABUANDERIEDansunebuanderie,dedimensions3,0m × 4,0m × 2,5m,supposéehermétiquementferméeetàlatempératurede20℃,setrouveuneflaqued’eaudevolume0,40L.Initialement,l’airn’estpassaturéenvapeurd’eau.Ondonnelaconstantedesgazparfaits:𝑅 = 8,31J⋅mol$8⋅K$8.

    1) Retrouversurlediagrammedephasesdel’eauoudansuntableaulapressiondevapeursaturante.

    2) Quelletransformationvaseproduire?Expliquerpourquoi.3) Déterminerl’étatfinaldusystème:pressionpartielledel’eaudansl’air,quantitéd’eauliquide

    restant(s’ilenreste!),danslesdeuxcassuivants:a) L’airdelabuanderieestinitialementsec;b) Letauxinitiald’humiditédelabuanderieestde60%,c’est-à-direquelapressionpartielle

    delavapeurd’eauestinitialementégaleà60%delapressiondevapeursaturante.

    7 ÉVAPORATIONDEL’ÉTHERDANSUNEÉPROUVETTEDansunlaboratoireoùrègneunetempérature𝜃 = 20℃,onseprocureuneéprouvettegraduéede100mL,danslaquelleonintroduit2,0mLd’éther.Onadaptealorsunpistondansl’éprouvette,detellesortequelapositioninitialeinférieuredecelui-cisoitsurlagraduation«10mL».Les2,0mLd’étherseretrouventainsisurmontésde8,0mLd’air.Cettesituationinitialepeutseschématiserainsi:

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    situationinitialedel’éprouvette

    Onadmetquelepistonesthermétiqueetpeutcoulissersansfrottementdansl’éprouvette.Cecipermetdemaintenirdansl’enceinteunepressionconstanteetégaleà𝑝 = 1,00bar.

    1) Latempératureétantmaintenueà𝜃 = 20℃,onconstatequelepistonmonteprogressivement.Interprétercephénomèneetdéterminerlapositionfinaledupiston.

    2) Parunejournéeensoleillée,latempératuredulaboratoireaugmentejusqu’à𝜃 = 28℃.Déterminerlanouvellepositiondupiston.

    3) Lorsd’unépisodedecanicule,latempératureatteint𝜃 = 37℃danslelaboratoire!Déterminerlanouvellepositiondupiston.

    Données: Massemolairedel’éther:𝑀 = 74,1g⋅mol$8 Densitédel’étherà20℃:𝑑 = 0,71 Constantedesgazparfaits:𝑅 = 8,31J⋅mol$8⋅K$8 Pressiondevapeursaturantedel’éther:0,59barà20℃;0,81barà28℃ Températured’ébullitiondel’éther:𝑇DJ = 35℃

    8 AMMONIACETAMMONIAQUEL’ammoniacestuncomposémoléculairedeformuleNH%,produitindustriellementparleprocédéHaber-Boschàpartirdediazoteetdedihydrogène.C’estl’undescomposéslesplussynthétisésaumonde:ilsertàlafabricationdenombreuxautrescomposésdontl’acidenitriqueetautresdérivésutiliséscommeengrais.

    Lesrèglementsd’étiquetageCEdel’ammoniacsontlessuivants:

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    Quelquesdonnéesconcernantl’ammoniac:

    • Températuredefusionsous𝑃 = 1013hPa:𝑇*EK = −77,73℃.• Pointtriple:−77,8℃sous0,06bar• Pointcritique:132,4℃sous112,8bar• Solubilitédansl’eau:540gparlitred’eauà20℃sous1atm.• Massemolaire:𝑀 = 17,031g⋅mol$8• Extraitdudiagrammedephases:

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    Lecorpspurammoniac

    1) Compléterlediagrammedephasesàl’aidedesdonnéesfournies.2) Dansquelétatphysiquetrouve-t-onl’ammoniacdanslesconditionsusuellesdulaboratoire?3) L’ammoniacliquideestutilisécommesolvantdanscertainesréactionsdechimieorganique.

    Quelspourraientêtrelesavantagesoulesinconvénientsdecesolvant?

    L’ammoniaque

    L’ammoniaqueestunproduitd’entretiencourant,utilisépournettoyerlessurfacesvitrées,lessanitaires,leslavabosetéviers,lesbrossesetpeignes...Ilestefficaceentantquedétachant,notammentpouréliminerlestracesdesang,devinséché...

    Voiciunextraitdecequel’onpeuttrouversurlafichefournieparunfabriquantdebouteillesd’ammoniaque:

    AMMONIAQUEà30%;densité0,896

    4) Pourquoiest-ilexcluquel’ammoniaquequel’ontrouvedanslecommercesoitlecorpspur

    ammoniac?(donnerd’autresargumentsquelasimpleorthographe!)

    L’ammoniaqueestenfaitlenomcommercialdonnéàunesolutionaqueused’ammoniacdeteneurmassiquecompriseentre20et30%.

    5) Quelleestlateneurmaximaleen%d’unesolutionaqueused’ammoniacréalisableàdesfinscommerciales?Est-ilpossiblederéaliserdessolutionsdeteneursupérieure?Commentprocéder?

    6) Déterminerlaconcentrationmolairedelasolutiond’ammoniacà30%dontilestquestionci-dessus.

    7) Décrirequalitativementlesystèmephysico-chimiquedélimitéparlesparoisd’unebouteilled’ammoniaquefermée.

    8) Enréalité,l’ammoniacestunebasefaible;lasolutioncontientégalementunepetitequantitéd’hydroxyded’ammonium.(ionhydroxyde=HO$;ionammonium=NH>6).Écrirel’équationdelaréactionchimiqueresponsabledelaprésencedecesions.

    9) Comparerlespictogrammesetlesphrasesdedangerdel’ammoniacetdel’ammoniaque.

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    Chapitre2

    9 BILANSDEMATIÈREPourchacunedesréactionssuivantes,effectuerlebilandematièreàchacundesinstantsspécifiés,encomplétantlestableauxdequantitésdematièreoudeconcentrations.

    Dansleslignes«à𝑡quelconque»,ondemanded’exprimerlaquantitédematièreenfonctiondel’avancement𝜉delaréaction(enmol)oulaconcentrationenfonctiondel’avancementvolumique𝑥(enmol⋅L$8).

    Dansle1),ondemandeaussidecalculerlapressiondansl’enceinte,lesgazétantsupposésparfaits.Ondonnelaconstantedesgazparfaits:𝑅 = 8,31J⋅K$8⋅mol$8.

    Danstouslescas,laquantitédematièredesintermédiairesréactionnelséventuelsestnégligeable.

    1) Réactiondedécompositiondupentaoxydedediazote:N5OL = 2NO5 +85O5enphasegazeuse,

    dansuneenceintedevolume𝑉 = 5,00L,àlatempératureconstante𝜃 = 25℃.

    N5OL NO5 O5 Pression𝑝/bar

    𝑡 = 0 0,500 0 1,00

    𝑡 = 𝑡8 0,200

    𝑡 = 𝑡5 0,800

    𝑡 = 𝑡% 1,23

    𝑡quelconque Quantitésdematièreenmol

    2) Réactiond’oxydationdumonoxyded’azoteenphasegazeuse:2NO + O5 = 2NO5

    NO O5 NO5

    𝑡 = 0 1,00 1,00 0

    𝑡 = 𝑡8 0,70

    𝑡quelconque pour𝜉 = 𝜉,BC

    = ⋯

    Quantitésdematièreenmol

    3) Réactiond’oxydationpousséedel’éthanolensolutionaqueusedansuntampondepH = 1,0:5CH%CH5OH + 4MnO>$ + 12H%O6 = 5CH%COOH + 4Mn56 + 23H5O

    CH%CH5OH MnO>$ H%O6 CH%COOH Mn56 H5O

    𝑡 = 0 0,0100 0,0090 0 0 solvant

    𝑡 = 𝑡8 0,0075

    𝑡quelconque pour𝑥 = 𝑥,BC

    = ⋯

    Concentrationsenmol⋅L$8

    Enpartanttoujoursd’uneconcentrationde0,0100mol⋅L$8enéthanol,déterminerquelleconcentrationd’ionpermanganateilfautapporterinitialementpourquelemélangesoitdanslesproportionsstœchiométriques.Compléteralorsletableau:

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    CH%CH5OH MnO>$ H%O6 CH%COOH Mn56 H5O

    𝑡 = 0 0,0100 ? 0 0 solvant

    𝑡 = 𝑡8 0,0075

    𝑡quelconque pour𝑥 = 𝑥,BC

    = ⋯

    Concentrationsenmol⋅L$8Démontrerqu’unmélangededeuxréactifsenproportionsstœchiométriquesleresteàchaqueinstantultérieurdelatransformationchimique…

    10 ÉQUILIBREENPHASEGAZEUSEOns’intéresseàlatransformationchimiqueenphasegazeusemodéliséeparlaréactiond’équation:

    2NO + Br5 = 2NOBr

    Onintroduitjusqu’àlapression𝑝8 = 6000Padansunrécipientdevolumeconstant𝑉 = 2,000Linitialementvidedel’oxyded’azoteNOinitialementàlatempérature𝑇8 = 300K.Onajouteensuitedanscerécipientunemasse𝑚Br( = 300mgdedibrome.Latempératuredumélangeestportéeà𝑇5 = 333K.Unefoisl’étatd’équilibreétabli,lapressiontotaledanslerécipientest𝑝5 =8220Pa.

    Lesgazsontsupposésparfaitsetonrappelle:𝑅 = 8,31J⋅K$8⋅mol$8.Massemolairedudibrome:𝑀(Br5) = 159,81g⋅mol$8

    1) Calculerlaquantitédematièredechaqueespècechimiqueintroduitedanslerécipient.2) Calculerlaquantitédematièretotaleàl’équilibre.3) Déduiredesquestionsprécédentesl’avancement𝜉delaréactionàl’équilibre.4) Calculerlapressionpartielledechaquecomposéàl’équilibre.5) Calculerlaconstanted’équilibredelaréactionàlatempérature𝑇5.

    11 DISSOCIATIONDUCALCAIRELachauxvive,solideblancdeformuleCaO,estobtenueindustriellementpardissociationthermiqueducalcaireCaCO%,modéliséeparlaréactiond’équation:

    CaCO%(s) = CaO(s) + CO5(g)Laconstanted’équilibreassociéeàcetteéquationvaut,à1100K:𝐾° = 0,358.

    1) Dansunrécipientdevolume𝑉 = 10,0L,initialementvide,onintroduit𝑛= = 10,0mmoldecalcaireà𝑇 = 1100Kfixée.Déterminerlesensd’évolution,puisl’étatfinal.

    2) Quellequantitédecalcairepeut-ontransformeraumaximumenchauxdanscesconditions?

    12 OXYDATIONDUCUIVREPARL’ACIDENITRIQUESoitlaréactiond’oxydationdumétalcuivreparunesolutionaqueused’acidenitriqueH%O6,NO%$,d’équation:

    3Cu(s) + 8H%O(aq)6 + 2NO%$(aq) = 3Cu(aq)

    56 + 2NO(g) + 12H5O(liq)

    Laconstanted’équilibredecetteréactionvaut,à25°C:𝐾° = 1. 106I%.

    Àuninstantdonné,lasolutiondevolume𝑉 = 500mLcontient0,0150mold’ionsCu56dissous,uneconcentrationenionsnitratede[NO%$] = 20,0mmol ⋅ L$8,etsonpHestde1,0.Unmorceaudecuivrede12,0grammesestimmergédanslasolution(𝑀Cu = 63,5g ⋅ mol$8).Lasolutionestsurmontéed’uneatmosphèreferméedevolume𝑉 = 1,00L,oùlapressionpartielleenmonoxyded’azoteestde𝑃NO = 15,0kPa.

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    Latempératureestmaintenueà25℃danstoutlesystèmeparunthermostat.Laconstantedesgazparfaitsest:𝑅 = 8,31J⋅K$8⋅mol$8.

    1) Déterminersilesystèmeainsidécritestàl’équilibreet,danslecascontraire,décrirecomplètementl’étatfinal.

    2) Quelleestlamasseminimalequedoitavoirlemorceaudecuivrepourqu’ilresteprésentdanslesystèmeàl’étatfinal?

    13 PRÉCIPITATIONDUCHLORUREDEPLOMB?Onmélangedeuxsolutions,l’unedenitratedeplomb,l’autredechloruredesodium,detellesortequelesconcentrationsapportéesdanslemélangesoient:

    1) 𝐶Pb() = 0,010mol ⋅ L$8et𝐶Cl+ = 0,200mol ⋅ L$8;

    2) 𝐶Pb() = 0,050mol ⋅ L$8et𝐶Cl+ = 0,030mol ⋅ L$8;

    3) 𝐶Pb() = 0,0020mol ⋅ L$8et𝐶Cl+ = 0,0010mol ⋅ L$8.

    Sachantqueleproduitdesolubilitéduchloruredeplombvaut𝐾K = 1,2 ⋅ 10$L,déterminerl’étatfinalpourchacundestroiscas(solutionlimpideouprésenced’unprécipité,concentrationdesions).

    NB:Leproduitdesolubilitéd’unsolideioniqueestdéfinicommelaconstanted’équilibredelaréactiondedissolutiondecesolidedansl’eauensesionsconstitutifs.Lenombrestœchiométriquealgébriquedusolidedoitêtrede−1dansl’équationdecetteréaction.

    14 LEPHÉNOLENSOLUTIONAQUEUSELephénolestuncomposéorganiquemoléculairedeformuleCIHIO,seprésentantsouslaformed’unsolidecristallinincolore.

    Quelquesdonnéessurlephénol:

    Massemolaire:𝑀 = 94,1g⋅mol$8Solubilitémassiquedansl’eauà25℃:𝑠, = 98g⋅L$8Pictogrammesdesécurité:

    PhrasesH:H301:Toxiqueencasd'ingestionH311:ToxiqueparcontactcutanéH314:ProvoquedegravesbrûluresdelapeauetdeslésionsoculairesH331:ToxiqueparinhalationH341:Susceptibled'induiredesanomaliesgénétiquesH373:Risqueprésuméd'effetsgravespourlesorganesàlasuited'expositionsrépétéesoud'uneexpositionprolongée

    1) Quelleestlaconcentrationmolairemaximalequel’onpeutobtenirendissolvantduphénoldansl’eauà25℃?

    2) Onsouhaitepréparer100mLd’unesolutionaqueuse(S1)dephénoldeconcentration𝐶8 =0,0200mol⋅L$8.Rédigerunprotocoledétaillépourréalisercettesolution(matérielàutiliser,quantitésàprélever,règlesdesécuritéàrespecter,etc.).

    Onmélangeunvolume𝑉8 = 20,0mLdelasolution(S1)avecunvolume𝑉5 = 20,0mLd’unesolution(S2)desoude(hydroxydedesodium,Na6 + HO$)deconcentration𝐶5 = 0,0800mol⋅L$8.Ilseproduitunetransformationchimique,modélisableparlaréactiond’équation:

    CIHLOH(aq) + HO(aq)$ = CIHLO(aq)

    $ + H5O(ℓ)

    Laconstanted’équilibreassociéeàcetteéquationvaut𝐾° = 1,0 ⋅ 106>.

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    3) Calculerlesconcentrationsapportéesdesdifférentesespèceschimiquesdansl’étatinitial(justeaprèslemélangedessolutions,avantquelaréactionchimiqueci-dessusn’aitlieu).

    4) Expliquerpourquoilaréactionnepeutenaucuncasêtrerigoureusementtotale.5) Déterminerlacompositioncomplètedelasolutionàl’équilibre.6) Calculerletauxdetransformationduréactiflimitant,conclure.7) Onsouhaitemaintenantréaliserlamêmesolutionfinale,maisenprocédantdifféremment.

    Indiquercommentonpourraitprocéder,sachantquel’ondispose:-delasolution(S2)desoudeutiliséeprécédemment,-d’eaudistillée,-dephénolatedesodium,solidedeformuleCIHLONa,demassemolaire𝑀 = 116,09g⋅mol$8,quiestunselionique(constituédesionsCIHLO$etNa6).

    15 L’ACIDEACÉTIQUEENSOLUTIONAQUEUSEL’acideacétiquepurestaussiconnusouslenomd’acideacétiqueglacial.C’estundesplussimplesacidescarboxyliques,saformulesemi-développéeestCH%COOH.Sonaciditévientdesacapacitéàperdreleprotondesafonctioncarboxylique,letransformantainsienionacétateCH%COO$;l’équationdecetteréactionensolutionaqueuseapourconstanted’équilibre𝐾B = 10$>,V.Cetteconstanteétantinférieureà1,l’acideacétiqueestqualifiéd’acidefaibledansl’eau.L’acideacétiquepurestunliquidetrèsfaiblementconducteur,incolore,inflammableethygroscopique.Ilestnaturellementprésentdanslevinaigre,illuidonnesongoûtacideetsonodeurpiquante(détectableàpartirde1ppm).C’estunantiseptiqueetundésinfectant.L'acideacétiqueestcorrosifetsesvapeurssontirritantespourlenezetlesyeux.Ondonne:

    Densitédel’acideacétique:𝑑 = 1,05Massemolairedel’acideacétique:𝑀 = 60,05g⋅mol$8Massemolairedel’hydroxydedesodium:𝑀W = 40,0g⋅mol$8

    1) Onconstitueunesolutionaqueuse(S1)delamanièresuivante:dansunefiolejaugéede𝑉= =500mLestintroduitunvolume𝑉8 = 10,0mLd’acideacétiqueglacial(pur).Oncomplèteautraitdejaugeavecdel’eaudistillée,enagitantrégulièrement.Onobtientunesolutionlimpide.Uneanalyserapideàl’aidedepapierpHmontrequelepHdelasolutionainsiconstituéeestcomprisentre2et3.

    a) Déterminerlaconcentrationapportéeenacideacétiquedanslasolution(S1).b) Écrirel’équationchimiquededissolutiondel’acideacétique.Cetteréactionest

    rigoureusementtotale,àquoilevoit-on?c) Lasolutionainsipréparéepossèdeunetrèslégèreodeurdevinaigre.Expliquerpourquoi.

    Montrerquecephénomènepeutavoirdesconséquencessurlaconcentrationdelasolution.Onnégligeracephénomènedanslasuiteduproblème.

    d) Écrirel’équationdelaréactiondeconstanted’équilibre𝐾B .Onadmettraqu’ils’agitdelaseuleréactionsignificativeàprendreencompte.

    e) MontrerquelerésultatfourniparlepapierpHpermetd’estimerunordredegrandeurdel’avancementdelaréactionprécédenteàl’équilibre.

    f) Endéduire,parlecalculleplussimplepossible,laconcentrationdetouteslesespècesensolutionetdonnerlavaleurdupHdelasolution(S1)avecunchiffreaprèslavirgule.

    2) Àlasolutionprécédenteestajoutéunvolume𝑉J = 100mLd’unesolutiondesoude(contientlesionsNa6etHO$)deconcentration𝐶J = 1,00mol⋅L

    $8.Aprèsagitation,onobtientunesolution(S2).

    a) Écrireunmodeopératoirepourindiqueràunapprentitechniciencommentpréparerlevolume𝑉J = 100mLdelasolutiondesoude.Onsupposequ’ondisposedepastillesd’hydroxydedesodiumpuraulaboratoire.

    b) Quelleestlanouvelleconcentrationapportéed’acideacétiquedanslasolution?c) Quelleestlaconcentrationapportéed’hydroxydedesodium?d) Écrirel’équationdelaréactionacido-basiqueentrelasoudeetl’acideacétique.e) Déterminerl’étatfinaldusystème,latransformationchimiqueétantmodéliséepar

    l’uniqueréactionprécédente,dontlaconstanted’équilibrevaut:𝐾° = 106X,5