TP-COURS : INTRODUCTION AUX METHODES PHYSIQUES D’ETUDES CINETIQUES

SPECTROPHOTOMETRIE ET CONDUCTIMETRIE

OBJECTIFS DU TP

Ce TP-cours va nous permettre de découvrir deux méthodes d’analyse, particulièrement courantes en chimie : la spectrophotométrie et la conductimétrie. Celles-ci seront utilisées fréquemment en TP, par exemple pour des suivis cinétiques (cf prochain TP) ou des suivis de dosage (cf second semestre). Le principe de ces méthodes et l’appareillage utilisé, présentés ici, devront être connus. Nous recenserons ensuite les bonnes pratiques d’usage de ces méthodes au travers d’activités expérimentales de découverte. Nous aborderons enfin les notions d’incertitude et de précision des mesures.

Savoirs et savoir-faire à maitriser à l’issue du TP :

Présenter ces techniques physico-chimiques (principe, loi fondamentale, mise en œuvre) de détermination de concentration en solution.

Exprimer une loi de vitesse à partir de la conductance ou de l’absorbance

SPECTROPHOTOMETRIE

PRINCIPE

La spectrophotométrie est une technique basée sur la mesure des propriétés d’absorption de la lumière par une substance.

Rappelons que la lumière peut être décrite comme une ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ou comme un flux de particules, les ……………………………………………….. Cette dualité onde-corpuscule a été revue dans le cours d’optique. Le domaine du ………………………………………., c’est-à-dire l’ensemble des longueurs d’onde auquel l’œil est sensible ne représente qu’une petite partie du spectre électromagnétique, comme le montre la figure ci-dessous.

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Ainsi l’œil ne perçoit que les longueurs d’onde comprises entre …………………………………………..nm. Lorsqu’une lumière monochromatique de longueur d’onde comprise entre 400 et 800 nm est captéeλ par l’œil, on perçoit une lumière ………………………………………….. Les valeurs en nm des domaines de longueurs d’onde associés à chaque couleur sont indiquées ci-dessous :

Les autres couleurs connues résultent de la superposition de plusieurs longueurs d’onde dans un même rayon lumineux : on parle de lumière …………………………………………………………. Un bon exemple est la lumière du soleil : elle comporte toutes les longueurs d‘onde comprises dans le domaine visible, ce dont on peut s’apercevoir en la décomposant par un dispositif dispersant (gouttes d’eau dans le cas de l’arc-en-ciel).

La couleur des objets qui nous entourent résulte d’un processus différent : un objet éclairé en lumière blanche et qui absorbe dans un certain domaine de longueur d’onde apparait coloré car il renvoie toutes les radiations vers l’œil, sauf celle qu’il …………………………………………….. La couleur perçue est appelée couleur …………………………………………………………… de la couleur absorbée. Couleur absorbée et couleur complémentaire sont diamétralement opposées dans la figure ci-dessus.

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MESURE EXPERIMENTALE

DESCRIPTION DE L’APPAREIL

Les spectrophotomètres d’absorption sont constitués de plusieurs éléments qui se suivent dans l’ordre précisé ci-dessous :

- Une source de lumière- Un sélecteur de longueur d’onde (un monochromateur)- Un emplacement pour l’échantillon- Un détecteur couplé à un système de traitement du signal.

La ………………………………..lumineuse est une lampe de lumière blanche, émettant toutes les longueurs d’onde entre 300 et 800 nm : on parle de spectrophotométrie …………………………………………………... Certaines lampes (dihydrogène, deutérium) permettent d’obtenir un rayonnement …………. (de 160 à 380 nm) mais les spectrophotomètres correspondants ne permettent des mesures qu’à partir de 190-200 nm car le dioxygène de l’air absorbe vers 180 nm.

Grâce à un diaphragme et une lentille, on obtient un faisceau parallèle qui peut être décomposé par un monochromateur. Cette sélection n’est pas parfaite et on obtient une gamme étroite de longueurs d’onde.

Le faisceau traverse alors une ………………………. contenant la solution à étudier à la concentration c. Elle doit être à faces parallèles pour éviter les effets de lentille. Elle est d’épaisseur (chemin optique) l (couramment 1 cm).

Le rayon lumineux ayant traversé la cuve est focalisé sur un …………………………………………… qui convertit le signal reçu en signal électrique. La sensibilité du détecteur (comme de notre œil) est fortement dépendante de …………………………………………………………………………………………………. .

ABSORBANCE

Soit une solution contenant une substance colorée dissoute dans un solvant incolore. Une mesure en spectrophotométrie est basée sur la comparaison des intensités ou des flux de deux rayons lumineux :

- le rayon monochromatique traversant la cuve de ………………………………………….. contenant le solvant

- le rayon monochromatique traversant la cuve de …………………………………., identique à la cuve de référence, mais contenant la solution à étudier.

On peut alors isoler l’absorption due à la substance colorée.

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On définit la ………………………………………… T comme la fraction d’intensité transmise par l’échantillon :

T= II 0

.

On a toujours 0 ≤ T ≤ 1. Si T = 0, le milieu est …………………………. et si T = 1, le milieu est …………………………………………………………...

On définit également l’…………………………………………………………. comme :

A=log 1T

=logI 0

I.

C’est pour obtenir une grandeur croissante avec le caractère absorbant de la solution que l’on utilise l’inverse de la transmittance. L’utilisation du logarithme provient de l’utilisation de l’absorbance dans la loi de Beer-Lambert (que nous expliciterons par la suite).

SPECTRE D’UN COMPOSE

Le spectre d’absorption d’une solution est la courbe représentant l’……………………………………. de cette solution en fonction de …………………………………………………………………………………………….:

Exemples de spectres d’absorption d’une solution de nanoparticules d’or de différents diamètres

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400 500 600 700 800

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Abs

orba

nce

Longueur d'onde (nm)

8.1nm 20.2nm 37.5nm 74.0nm 91.7nm

A

B

0 20 40 60 80 100510

520

530

540

550

560

570

580He et al, Spectrochemica Acta Part A

2005,2861Nath et al, Anal. Chem.

2004, 76, 5370 Link et al, J. Phys. Chem. B,

1999, 103, 4212Ce travail

max

(nm

)

Diamètre des NPo (nm)

400 500 600 700 800

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Abs

orba

nce

Longueur d'onde (nm)

8.1nm 20.2nm 37.5nm 74.0nm 91.7nm

A

B

0 20 40 60 80 100510

520

530

540

550

560

570

580He et al, Spectrochemica Acta Part A

2005,2861Nath et al, Anal. Chem.

2004, 76, 5370 Link et al, J. Phys. Chem. B,

1999, 103, 4212Ce travail

max

(nm

)

Diamètre des NPo (nm)

Le spectre d’absorption d’un composé est d’une grande importance :

- un spectre est caractéristique d’une substance : il peut être utilisé pour l’identifier. En réalisant les spectres d’un composé inconnu dans différentes gammes spectrales (UV-visible, infra-rouge, …) on peut tirer un grand nombre de renseignements sur sa structure, ses groupes fonctionnels, …. La spectroscopie est une technique essentielle d’analyse chimique.

- la réalisation d’un spectre d’absorption est la première étape à réaliser si l’on veut utiliser la spectrophotométrie à des fins quantitatives, pour déterminer des concentrations notamment.

LOI DE BEER-LAMBERT

Les lois régissant l’absorption de la lumière par une substance colorée ont été formulées en 1730 par Lambert et généralisées aux solutions en 1852 par Beer. Pour une solution peu concentrée en substance absorbante et pour une lumière monochromatique , lλ ’absorbance A( ) est, à uneλ température donnée, proportionnelle à la longueur de la cuve, l, en cm, et à la concentration de la substance colorée, c, en mol.L-1 :

A( ) = ( ) x l x cλ ε λ

où ( ) est le ……………………………………………………………………………………………….. (ou dε λ ’extinction) molaire à la longueur d’onde de la substance colorée étudiéeλ  : ce coefficient dépend de la nature de la substance, de la longueur d’onde, de la température et du solvant considéré. Il s’exprime couramment en …………………………………………………... C’est ce paramètre qui varie lorsqu’on trace le spectre d’absorption d’une solution et qui est donc responsable de l’allure du spectre.

Cette loi n’est valable que si la solution est diluée.

Enfin, l’absorbance est une grandeur additive et la loi de Beer-Lambert s’applique aux mélanges à condition qu’il n’y ait aucune interaction entre les différentes espèces absorbantes. Pour un mélange de N espèces absorbantes :

A ( λ )=∑i=1

N

εi ( λ )×l×ci

BONNES PRATIQUES

Comme toujours, la puissance de cette technique d’analyse ne s’exprimera pleinement que si elle est bien pratiquée !

CUVES

Un soin tout particulier doit être apporté à l’état et à la manipulation des cuves. Celles-ci doivent être soigneusement lavées et rincées. On peut rincer la cuve avec la solution à étudier si celle-ci est en quantité suffisante. Il faut bannir les bulles, les particules en suspension, les traces de doigts sur les faces traversées par le faisceau.

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Pourquoi ?

Pour des mesures dans le domaine du visible, on pourra utiliser des cuves en verre ou en plastique. Les premières peuvent servir de multiples fois à condition d’en prendre soin (il ne faut pas rayer les parois). Elles doivent être lavées et séchées après usage (de préférence à l’air ou à l’argon, il ne faut pas procéder en introduisant un chiffon ou un papier à l’intérieur car de petites particules de tissu vont alors se retrouver collées sur les parois). Les cuves plastiques sont à usage unique. Malheureusement, ce n’est pas le cas en TP pour des raisons de coût alors prenez-en soin  ! Leur utilisation est facile et rapide car on s’affranchit des étapes lavage/séchage mais il faut prendre garde à ne pas rayer les parois et à ne pas utiliser de solvant qui dissoudrait le plastique.

La figure ci-dessous présente la transmittance de différents matériaux en fonction de la longueur d’onde. Pourquoi ne peut-on pas utiliser des cuves en verre ou en plastique pour des mesures dans l’ultra-violet ?

Pour des mesures dans l’UV, on utilise donc des cuves en quartz (suprasil, herasil) ou en silice fondue mais il faut redoubler de vigilance lors de leur manipulation car leur coût est élevé.

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PRÉCISION DES MESURES D’ABSORBANCE

On retiendra que la meilleure précision de mesure de l’absorbance est obtenue lorsque celle-ci est comprise entre 0,1 et 1.

- En dessous de 0,1, la solution est très peu absorbante. L’imprécision des mesures peut venir de la sensibilité du détecteur mais surtout de l’influence non négligeable de facteurs expérimentaux : rayures sur la cuve, salissures imperceptibles à l’œil, microbulles sur le trajet optique, présence d’impuretés…

- Au-dessus de 1, la solution est fortement absorbante. Les écarts à la loi de Beer-Lambert apparaissent et la précision du détecteur diminue quand le flux tend vers zéro.

CHOIX DE LA LONGUEUR D’ONDE

Lorsqu’on souhaite utiliser la loi de Beer-Lambert pour déterminer des concentrations à partir de mesures d’absorbance, la longueur d’onde choisie est généralement celle pour laquelle l’absorbance est ……………………………………………………. Il y a deux raisons à cela :

- C’est à cette longueur d’onde que la sensibilité des mesures est la meilleure car estε maximal. On détectera de faibles variations de concentrations par une ……………………… variation d’absorbance.

- La forme en bandes larges et aplaties au sommet des bandes d’absorption fait que l’erreur de mesure sur A à une longueur d’onde ± y est minimale comme le montre la figure ci-λ Δλdessous. Donc une petite fluctuation de la longueur d’onde ne provoque pas une grande variation de l’absorbance.

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ACTIVITES EXPERIMENTALES

Dans cette partie, nous allons déterminer le coefficient d’absorption molaire du bleu de bromophénol (BBP) à une longueur d’onde à déterminer. Cette valeur sera utilisée lors du prochain TP. Nous allons également aborder les notions d’incertitude et de précision des mesures expérimentales.

PRÉSENTATION DU BBP

Un indicateur coloré est un couple acide-base faible dont les espèces conjuguées AH et A - ont des teintes différentes. Ici nous nous intéresserons au BBP, qui est un diacide noté BBPH 2. Sa formule semi-développée est reproduite ci-dessous :

Formule semi-développée du bleu de bromophénol (M =669,5 g.mol-1)

Ce sont ces deux fonctions phénol qui, en solution, peuvent céder un proton. La prédominance de chaque forme du BBP en fonction du pH est indiquée ci-dessous :

SPECTRE DU BBP

Vous disposez d’une solution aqueuse de BBP à 0,4 g.L-1. Réalisez une dilution au 1/25° en introduisant 2 mL de cette solution-mère dans une fiole jaugée de 50 mL et en complétant avec de l’eau déminéralisée. Homogénéiser la solution. Il s’agit maintenant de tracer le spectre d’absorption ce cette solution.

Quelle est la solution de référence qui doit être utilisée pour réaliser le zéro d’absorbance ?

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Dans quel domaine du spectre électromagnétique allons-nous enregistrer le spectre d’absorption du BBP?

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Quelles sont les conséquences expérimentales ?

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……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

En suivant le mode d’emploi du spectrophotomètre et en mettant en œuvre les bonnes pratiques décrites ci-dessus, enregistrer le spectre du BBP.

Quelle est la longueur d’onde du maximum d’absorption ?

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

Pouvait-on le prévoir ?

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

Autre commentaire ?

Calculer la concentration en mol.L-1 du BBP dans la solution fille. Exprimer cette concentration en fonction de la concentration de la solution-mère et de deux volumes à préciser.

Lord Kelvin écrivait « Il n’y a de science que du mesurable… ». Mesurer des grandeurs identifiées est une activité fondamentale dans les laboratoires de recherche scientifique et dans l'industrie, mais aussi dans de nombreuses activités quotidiennes comme les analyses biologiques ou la mesure de vitesse avec un radar. Il est donc nécessaire d’établir la confiance dans les résultats fournis lors de ces opérations. Mesurer une grandeur (intensité d’un courant, tension, longueur,…), n’est donc pas simplement rechercher la valeur de cette grandeur mais aussi lui associer une incertitude afin de pouvoir qualifier la qualité de la mesure. Ainsi, d’où peut provenir l’incertitude sur la concentration de la solution-fille ?

Que valent les tolérances des pièces de verrerie que vous avez utilisées pour effectuer la dilution ?

- Pipette

- Fiole jaugée

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On considèrera que l’erreur relative sur la concentration de la solution-mère est de 0,5%. Que vaut l’incertitude relative sur la concentration de la solution-fille ?

DETERMINATION DU COEFFICIENT D’ABSORPTION MOLAIRE DU BBP À 590 NM

Si l’on nomme c la concentration en BBP, quelle est la représentation graphique de A( =590nm)=f(c)λ  ?

En déduire une méthode pour accéder à (590 nm).ε

Pour mettre en œuvre cette méthode, vous disposez de fioles jaugées de 20 mL et de pipettes permettant de prélever différents volumes. Rédiger un protocole sous la forme du tableau suivant :

N° solutionSolution prélevée

Volume prélevé

Verrerie utilisée

Concentration (mol.L-1)

A(590 nm)

12345

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Tracer A (590 nm) = f(c), conclure sur la valeur de (590 nm) et proposer un encadrement de cette εvaleur par une méthode graphique.

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CONDUCTIMETRIE

PRINCIPE

La conductimétrie est une méthode d’analyse basée sur la mesure de la conductivité d’une solution.

La conductivité d’un milieu est une grandeur qui traduit l’aptitude de ce milieu à laisser passer leσ courant ………………………………………………………….. Son unité SI est le siemens par mètre (S.m-1). Rappelons que le siemens est l’inverse de l’ohm.

Exemple 1 : Dans les métaux, ce sont les ……………………………………………… qui sont responsables du passage du courant électrique. On donne les conductivités à 25°C de différents métaux dans le tableau suivant :

Métal Cuivre Aluminium Or

Conductivité (S.m-1) 5,9.107 3,7.107 0,5.107

Conclusion : quel est le métal le plus conducteur ?

Exemple 2 : dans les solutions, ce sont les …………………. qui sont responsables de la conductivité.

CONDUCTIVITÉ D’UN ION

CONDUCTIVITE IONIQUE MOLAIRE λ i D’UN ION

On définit la conductivité ionique molaire d’un ion M izi+¿¿ par λ i = |z i| µi F, avec z i, le nombre de charge

de l’ion, µi, sa mobilité et F la constante de Faraday (96500 C). La mobilité d’un ion traduit sa capacité à se déplacer en solution : elle dépend notamment du …………………….. et de la ……………………… de l’ion.

CONDUCTIVITE IONIQUE MOLAIRE LIMITE λ i0 D’UN ION

Lorsque les solutions sont diluées et que la concentration tend vers zéro, alors µi et λ i tendent vers des

valeurs limites que l’on note respectivement µi0et λ i

0 et que l’on appelle mobilité (resp. conductivité ionique molaire) limite ou à concentration nulle.

λ i et λ i0 s’expriment en S.m2.mol-1.

CONDUCTIVITE IONIQUE MOLAIRE EQUIVALENTE LIMITE D’UN ION

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Les tables donnent généralement la conductivité ionique molaire équivalente limite qui correspond à λi

0

|zi|. Ainsi, on peut relever les conductivités ioniques molaires équivalentes limites suivantes à 25°C :

Ion K+ Cl-

13

Al3+

λ0(mS.m2. mol-1) 7,35 7,63 6,30

Conclusion : λ0(K+) = λ0(Al3+) =

CONDUCTIVITE D’UNE SOLUTION

La conductivité d’une solution est la somme des conductivités dues à chaque ion. On retiendra :

σ=∑iλ ic i

Avec σ en S.m-1, λ i, en S. m2. mol-1 et ATTENTION c i en ………………………….

Pour des solutions diluées :

σ=∑iλ i

0ci = ∑i|zi|λ i0¿¿

MESURE EXPERIMENTALE

On utilise un ……………………………………. qui mesure la résistance R (en ohms) ou la conductance G = 1R

(en siemens) de la portion de solution contenue dans la cellule du conductimètre, représentée ci-dessous.

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1 cm

Cette cellule est composée de 2 plaques de surface S (environ 1 cm2), parallèles et distantes d’une distance l. Ces plaques sont en platine platiné c’est-à-dire en platine recouvert d’une couche de platine finement divisé. Ces plaques sont TRES fragiles ! La cellule doit être conservée dans de l’eau distillée afin d’éviter son dessèchement.

On peut relier G à par la relation suivanteσ  :

σ=¿ G x Kcell avec Kcell = lS

Kcell est appelée …………………………………………………………………………….. et s’exprime en ………………….. Comme la cellule vieillit au cours du temps (par déshydratation ou adsorption à sa surface de produits contenus dans les solutions étudiées), il faut la recalculer avant chaque mesure absolue de conductivité : c’est l’………………………………………………………… du conductimètre. Cela se fait par la mesure à une température donnée de la conductance d’une solution dont on connait la conductivité (en général une solution de chlorure de potassium à 0,1 mol.L-1).

BONNES PRATIQUES

Avant utilisation, il faut rincer la cellule à l’eau distillée en prenant soin aux plaques de platine.

Pendant la mesure, il faut utiliser un volume de solution suffisant afin de ne pas cogner la cellule avec le barreau aimanté. Il faut également prendre garde de ne pas piéger de bulles d’air dans la cellule et de la tenir loin du cône d’agitation.

Pourquoi ?

Idéalement, il faudrait travailler en cellule thermostatée, dont un exemple est présenté dans la photographie ci-dessous. Il s’agit d’une cellule à double paroi permettant la circulation d’un liquide et donc l’homogénéité de la température au sein de la solution et au cours du temps. Nous verrons pourquoi dans les activités expérimentales proposées.

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Cellule thermostatée

Après utilisation, il faut rincer la cellule et la remettre dans son capuchon en veillant à ce qu’elle trempe dans l’eau distillée.

ACTIVITES EXPERIMENTALES

DETERMINATION DE LA CONSTANTE DE CELLULE

Dans la suite du TP, nous allons souhaiter accéder à des valeurs absolues de conductivité, nous allons donc devoir étalonner le conductimètre.

Rem : il ne sera pas toujours nécessaire de calculer la constante de cellule. On détermine Kcell quand la connaissance de est indispensable. Dans de nombreux cas, on pourra se contenter de G, par exemple σpour des suivis de dosage et il ne sera alors pas nécessaire d’étalonner le conductimètre.

Préparer dans un bécher un volume suffisant de solution de chlorure de potassium à 0,1 mol.L-1. Agiter doucement et y plonger la cellule. Mesurer précisément la température.

T = =σ

On donne les conductivités de cette solution à différentes températures :

T (°C) 17 18 19 20 21 22 23 24 25

(mS.cmσ -

1)10,9

511,19 11,43 11,67 11,9 12,15

12,39

12,64 12,88

Régler le conductimètre de manière adéquate. Par la suite, il ne faudra plus toucher à ce réglage.

INFLUENCE DE LA CONCENTRATION SUR LA CONDUCTIVITE

Vous disposez de solutions de solution de chlorure de potassium à 1 ; 0,1 et 0,01 mol.L-1. Comment évolue la conductivité de ces solutions ?

Concentration (mol.L-1) 1 0,1 0,01

σ

Pouvait-on prévoir ces valeurs ?

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INFLUENCE DE LA TEMPERATURE SUR LA CONDUCTIVITE

Proposez une expérience pour évaluer l’influence de la température sur la conductivité, en tenant compte du matériel à disposition sur vos paillasses.

Conclusion :

Ceci justifie pourquoi il est nécessaire lors de la procédure d’étalonnage de mesurer précisément la température de la solution étalon.

CONDUCTIVITES COMPAREES DE QUELQUES IONS

Vous disposez de solutions de chlorure de lithium, de chlorure de potassium, de chlorure de sodium et d’acide chlorhydrique à 0,1 mol.L-1. Proposez un protocole pour comparer les conductivités ioniques molaires des cations mis en jeu.

ATTENTION 

Les phrases de risque et de sécurité associées à l’acide chlorhydrique sont R20-22/34/36-38 S23/26/36/45.

Les mentions de danger et les conseils de prudence associés au chlorure de lithium sont les suivantes : H302-H315-H319-H335 ; P261-P305-P351-P338.

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Conclusion :

Interprétation : Nous allons chercher à expliquer cette différence de conductivité.

- Quel cation a une conductivité beaucoup plus grande que les autres ?

On donne les conductivités molaires limites des anions suivants :

Ion HO- F- Cl- Br- I-

λ0(mS. m2. mol-1) 19,9 5,54 7,63 7,81 7,70

Que remarquez-vous ?

A RETENIR : les ions H3O+ et les ions HO- ont des conductivités beaucoup plus importantes que les autres ions. On dit qu’ils sont beaucoup plus mobiles. Leur mobilité est due à la création et à la rupture très rapide de liaisons hydrogène à travers les molécules d’eau, donc à un transfert de charge, sans transfert de matière : on parle de mécanisme par saut.

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- Pour expliquer les différences entre les autres cations, nous allons nous appuyer sur les données suivantes.

Ion Rayon ionique (nm) Rayon ion hydraté (nm)

Li+ 0.078 0,24

Na+ 0.098 0,18

K+ 0.133 0,13

Quelle est la différence entre les deux rayons indiqués pour chaque ion ?

Pourquoi les rayons hydratés sont-ils plus grands que les rayons ioniques ?

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Interpréter les données relatives à l’évolution du rayon ionique.

L’évolution du rayon pour les ions hydratés est-elle la même ?

Pourquoi ?

A RETENIR : la mobilité, et donc la conductivité, des ions dépend de leur taille en solution. Dans l’eau, les ions petits et fortement chargés sont les mieux solvatés, ce qui augmente leur taille et diminue leur conductivité.

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