Suivi d'une transformation chimique, correction, 1s03chc

I- Préparation de la solution de sulfate d’aluminium.

1)- Formule statistique du sulfate d’aluminium

- Le cristal contient des ions aluminium III, Al³⁺ et des ions sulfate SO₄²^–.

- étant globalement électriquement neutre, le nombre de charges positivement est égal au nombre de charges négatives :

- La formule : Al₂(SO₄)₃

2)- Équation de dissolution du sulfate d’aluminium dans l’eau.

	eau
Al₂(SO₄)₃ _(s)	→	2 Al³⁺ _(aq) + 3 SO₄^{2 –} _(aq)

3)- Solution S₁ de sulfate d’aluminium de volume V = 250 mL et de concentration molaire en soluté apporté C₁ = 0,050 mol / L

a)- Protocole opératoire de cette préparation.

- Masse de sulfate d’aluminium nécessaire :

- m = n . M

- m = C₁ . V . M

- m = 0,050 × 0,250 × 342

- m ≈ 4,3 g

b)- Concentrations molaires effectives des différents ions présents dans la solution

	^eau

1 C₁	2 C₁ 3 C₁

- Concentration effective en ion aluminium III : [Al³⁺] = 2 C₁ ≈ 0,10 mol / L

- Concentration effective en ion sulfate : [SO₄^{2
–}] = 3 C₁ ≈ 0,15 mol / L

II- Préparation de la solution d’hydroxyde de sodium.Solution S₂ d’hydroxyde de sodium de concentration C₂ = 0,100 mol / L

par dilution d’une solution mère de concentration C = 1,00 mol / L

4)- Décrire avec précision le protocole permettant d’obtenir un volume de 500 mL

de solution diluée.

S	{	C = 1,00 mol / L	Dilution	S ₂	{	C₂ = 0,100 mol / L
		V = ?	→			V₂ = 500 mL
		n = C . V				n₂ = C₂ . V₂
Solution mère				Solution fille

- Au cours de la dilution, il y a conservation de la quantité de matière de soluté :

- n = C . V = n₂ = C₂ . V₂

- V = 50,0 mL

Première étape :

Verser suffisamment

de solution Mère

dans un bécher

On ne pipette jamais

directement dans le

flacon qui contient

la solution Mère

Deuxième étape :

On prélève le

volume nécessaire

de solution Mère

à l’aide d’une

fiole jaugée de

50,0 mL ou

une éprouvette

graduée de 100 mL

(moins précis)

Troisième étape :

On verse le volume

nécessaire de solution

dans la fiole jaugée

de 500 mL

Quatrième étape :

On ajoute de l’eau

distillée et on agite

mélanger et

homogénéiser

Cinquième étape :

On complète avec

une pissette

d’eau distillée

jusqu’au

trait de jauge.

Sixième étape :

on agite pour

homogénéiser.

La solution

est prête.

fiole

schéma 02

fiole jaugée

III- Étude de la réaction de précipitation.

Bécher : volume V₁ = 30,0 mL de solution S₁ de sulfate d’aluminium

et un volume V₂ = 10,0 mL de solution S₂ d’hydroxyde de sodium.

On observe l’apparition d’un précipité blanc d’hydroxyde d’aluminium.

5)- Équation de la réaction de précipitation.

Al³⁺ (aq) + 3 HO^– (aq) → Al (OH)₃ (s)

6)- Avancement final, le réactif limitant et la composition, en quantité de matière, du système dans son état final.

Équation		Al³⁺ (aq)	+ 3 HO^– (aq)	→	Al (OH)₃ (s)
	Av.	mmol	mmol
E.I	0	n₁ = 2 C₁ . V₁ = 3,0	n ₂ = C₂ . V₂ = 1,0		0
En cours	x	n₁ – x	n ₂ – 3 x		x
E.F	x_max	n₁ – x_max	n ₂ – 3 x_max		x_max
Av max	0,33 mmol	2,7 mmol	0 mmol		0,33 mmol

- Il faut calculer la valeur de l’avancement maximal de la réaction :

- Détermination de x_max.

- Hypothèse 1 : on considère que le réactif est l’ion Al³⁺ (aq) :

- n₁ – x_max1= 0 => x_max1= n₁ => x_max1 ≈ 3,0 mmol = 3,0 × 10^{- 3} mol

- Hypothèse 2 : on considère que le réactif est le carbone :

- n1 = 3,3 E-4 mol

- L’avancement maximal est égal à la plus petite des deux valeurs :

- x_max= x_max1 ≈ 3,3 × 10^{– 4}mol

- Le réactif limitant est l’ion hydroxyde HO^– (aq).

- Quantité de matière des différentes espèces présentes :

Na ⁺ (aq)	Al³⁺ (aq)	SO₄^{2 –}
n (Na ⁺)= C₂ . V₂ n (Na ⁺) = 0,10 × 10 × 10^{– 3} n (Na ⁺) = 1,0 × 10^{– 3} mol	n (Al ³⁺) = 2,7 x 10^{– 3}mol	n (SO₄^{2 –} ) = 3 C₁ . V₁ n (SO₄^{2 –}) = 3 × 0,050 × 30 × 10^{– 3} n (SO₄^{2 –}) = 4,5 × 10^{– 3} mol
Al(OH)₃ (s)
n ≈ 3,3 × 10^{– 4} mol

7)- Concentrations molaires des différentes espèces présentes dans la solution.

[Na⁺]

[Al³⁺]

[SO₄^{2
–}]

C (Na+) = 2,5 E-2 mol / L

C (Al3+) = 6,8 E-2 mol / L

C (ion Sulfate) = 1,1 E-1 mol / L

Remarque : [Na⁺] + 3 [Al³⁺] ≈ 2 [SO₄^{2
–}]

8)- E expériences simples permettant de valider les résultats précédemment obtenus.

- Si on verse une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium dans le filtrat, on doit observer la formation d’un précipité blanc d’hydroxyde d’aluminium III.

- Si on verse une solution de sulfate d’aluminium III dans le filtrat, il ne se passe rien car tous les ions hydroxyde ont réagi.

L'acide sulfamique est un solide blanc contenant des molécules polaires

de formule H₂NSO₃H _(s)^,noté AH.

1). Étude préliminaire.

a). L'acide sulfamique est soluble dans l'eau. Justifier. (0,5 pt)

b). La solution aqueuse est acide. Quelles sont les espèces chimiques présentes en solution ? (0,5 pt)

c). Par analogie avec l'équation de dissolution de l'acide chlorhydrique dans l'eau,

écrire l'équation de dissolution de l'acide sulfamique dans l'eau. (0,5 pt)

2). Sur un flacon, contenant de l'acide sulfamique, est indiqué le pourcentage massique : 10 %.

En déduire la concentration molaire de l'acide dans cette solution. (1 pt)

3). La fabricant précise que la solution doit être diluée, à raison de deux cuillères à soupe pour 0,50 L d'eau.

Calculer la concentration de la solution diluée ainsi préparée, sachant que la contenance d'une cuillère à soupe est égale à 10 mL. (1pt)

4). La solution d'acide sulfamique est utilisée comme détartrant pour cafetière électrique car elle réagit

avec le calcaire CaCO₃ _(s), dont les dépôts sont souvent appelés tartre.

Sachant qu'il se produit un dégagement gazeux de dioxyde de carbone lors de la réaction entre le calcaire et les ions H⁺ _(aq),

écrire l'équation de la réaction correspondante. (1pt)

5). La masse de calcaire présent sur les parois d'une cafetière vaut m = 2,1 g.

On utilise la totalité de la solution préparée à la question 3). pour procéder au détartrage.

a). A l'aide d'un tableau d'avancement, déterminer l'avancement final de la réaction, puis le réactif limitant. (1pt)

b). Le calcaire a-t-il complètement disparu à l'issue de cette première opération ? (0,5 pt)

c). Sinon, combien de détartrages successifs faudra-t-il réaliser avec le même volume de solution diluée ? (0,5)

Données : masse volumique de l'acide sulfamique : µ = 1,1 g / L

Masses molaires atomiques en g / mol :

H : 1,0 ; N : 14,0 ; S : 32,1 ; O : 16,0

Correction

Le détartrant :

acide sulfamique

1)- Molécule polaire :

a)- La molécule d’acide sulfamique étant une molécule polaire, elle est soluble dans l’eau qui est un solvant polaire.

b)- Les espèces chimiques présentes dans l’eau :

- l’ion H⁺ _(aq), _l'ion H₂NSO₃^– _(aq)et des molécules d'eau le solvant)

- C’est l’ion H⁺ _(aq) qui est responsable de l’acidité de la solution.

c)- Équation de dissolution dans l'eau :

	^eau
H₂NSO₃H _(s)	→	H⁺ _(aq) + H₂NSO₃^– _(aq)

2)- Concentration molaire de la solution commerciale :

- On peut utiliser la relation suivante :

- C = 1,1 mol / L Attention aux unités.

3)- Concentration de la solution diluée :

- L'énoncé est un peu ambigu.

- Pour le calcul, on considère que le volume final de la solution est V₁ = 0,50 L.

- Cela revient à négliger le volume des deux cuillères d'acide devant le volume de l'eau.

S	{	C = 1,1 mol / L	Dilution	S ₁	{	C ₁ = ?
		V = 20 mL	→			V₁ = 0,50 L
		n = C . V				n₁ = C₁ . V₁
Solution mère				Solution fille

- Au cours de la dilution, il y a conservation de la quantité de matière de soluté :

- n = C . V = n₁ = C₁ . V₁

- C1 = 4,4 E-2 mol / L

4)- Équation de la réaction :

CaCO₃ _(s) + 2 H⁺_(aq) → Ca²⁺_(aq) + CO₂_(g) + H₂O _{(ℓ
)}

Équation		2 H⁺ _(aq)	+ CaCO₃ _(s)	→	Ca²⁺_(aq)	+ CO₂ _(g)	+ H₂O _(ℓ)
État du système	Avanc.
État initial (mol)	x = 0	n₁ = C₁ . V₁ n₁ = 2,2 × 10^{– 2}			0	0	Excès
Au cours de la Trans.	x	n₁ – 2 x	n₂ – x		x	x	Excès
État final (mol)	x = x_max	n₁ – 2 x_max	n₂ – x_max		x_max	x_max	Excès
État final (mol)	x_max =	0	1,0 × 10^{– 2}		1,1 × 10^{– 2}	1,1 × 10^{– 2}	Excès