Réactions acido-basiques, Exercices.

Chim. N° 05

Réactions acido-basiques.

Exercices.

Correction.

Cours

Établir une équation de réaction

1)- Ecrire les demi-équations acido-basiques relatives à :

a)- L’acide nitreux HNO₂(aq),

b)- L’ammoniac NH₃ (aq)

2)- En déduire l’équation de la réaction entre l’acide nitreux et l’ammoniac.

a)- Acide nitreux : HNO₂ = H⁺ + NO₂^–

b)- Ammoniac : NH₃ + H⁺ = NH₄⁺

2. Réaction :

HNO₂ (aq) + NH₃ (aq) = NO₂^– (aq) + NH₄⁺ (aq)

Illustrer un intérêt des réactions acido-basiques

De très nombreux poissons contiennent une espèce volatile d’odeur désagréable :

la triméthylamine CH₃)₃N, peu soluble dans l’eau.

En revanche, l’acétate de triméthylammonium ou le citrate de triméthylammonium sont solubles dans l’eau.

1)- Écrire les équations des réactions de la triméthylamine avec :

a)- L’acide acétique CH₃COOH ;

b)- L’acide citrique, noté HCit pour simplifier.

2)- Justifier alors l’ajout de vinaigre ou de jus de citron à l’eau utilisée pour faire cuire un poisson au court-bouillon.

1. Triméthylamine avec

a)-Acide acétique :

CH₃COOH _(aq) + (CH₃)₃N _(aq) = (CH₃)₃NH⁺ _(aq) + CH₃COO^– _(aq)

b)-Acide citrique :

HCit _(aq) + (CH₃)₃N _(aq) = (CH₃)₃NH⁺ _(aq) + Cit^– _(aq)

2. Par action d’un acide, la triméthylamine, d’odeur désagréable,

se transforme en ion triméthylammonium soluble dans l’eau.

Les odeurs désagréables disparaissent.

Acide lactique et méthylamine

On mélange un volume V₁ = 12,0 mL d’une solution d’acide lactique CH₃CH(OH) CO₂H (aq), noté AH,

de concentration C₁ = 0,16 mol / L avec un volume V₂ = 23,0 mL d’une solution basique de méthylamine CH₃NH₂ (aq)

de concentration C₂ = 5,0 × 10^–3 mol / L.

1)- Avec quelle verrerie a-t-on pu mesurer les volumes indiqués ?

2)- Écrire l’équation de la réaction qui peut se produire.

3)- Établir la composition finale du système en quantité de matière, puis en concentrations.

1)- Verrerie utilisée pour mesurer les volumes :

- Pipettes graduées de 25 mL ou burette de Mohr de 25 mL

2)- Couples acide / base :

- Acide lactique / ion lactate : AH = H⁺ + A^–

- Ion méthylammonium / Méthylamine : CH₃NH₃⁺ = CH₃NH₂ + H⁺

3)- équation de la réaction :

AH _(aq) + CH₃NH₂ _(aq) → A^– _(aq) + CH₃NH₃⁺ _(aq)

4)- Composition finale du système :

Équation		AH _(aq)	+ CH₃NH₂ _(aq)	→	A^– _(aq)	+ CH₃NH₃⁺ _(aq)
État du système	Avancement
État initial (mol)	x = 0	n₁ = C₁. V₁ 1,92 mmol	n₂ = C₂. V₂ 1,15 mmol		0	0
Au cours de la transformation	x	n₁ - x	n₂ – x		x	x
État final (mol)	x = x_max	n₁ – x_max ≥ 0	n₂ – x_max ≥ 0		x_max	x_max
	x_max = 1,15	0,77	0		1,15	1,15

- Concentrations des différentes espèces chimiques :

Eau des piscines

Pour abaisser le pH des eaux d’une piscine, on peut utiliser une poudre appelée pH moins qui contient (en masse) 17,8 % de bisulfate de sodium,

ou hydrogénosulfate de sodium NaHSO₄ (s).

On considère que les propriétés acido-basiques de cette poudre sont dues uniquement à la présence d’ions hydrogénosulfate HSO₄^–.

1)- Écrire la demi-équation acido-basique relative au couple acide / base : HSO₄^– (aq) / SO₄^2– (aq).

2)- Écrire l’équation des réactions qui se produisent lorsqu’on introduit cette poudre dans l’eau..

3)- On ajoute 500 g 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 en 2. se produisent ?

1)- Demi-équation acido-basique :

HSO₄^– = SO₄^2– + H⁺

2)- équation des réactions :

NaHSO₄ _(s) → HSO₄^– _(aq) + Na⁺ _(aq)

HSO₄^– _(aq) + H₂O^– _(ℓ) → H₃O⁺ _(aq) + SO₄^2 – _(aq)

3)- Concentration des ions présents.

- Quantité de matière de soluté introduit :

Équation		HSO₄^– _(aq)	+ H₂O^– _(ℓ)	→	H₃O⁺ _(aq)	+ SO₄^2– _(aq)
État du système	Avancement
État initial (mol)	x = 0 mol	n₁ = 0,741	Excès		0	0
Au cours de la transformation	x mol	n₁ - x	Excès		x	x
État final (mol)	x = x_max mol	n₁ – x_max = 0	Excès		x_max	x_max
	x_max = 0,741	0	Excès		0,741	0,741

- L’eau étant en large excès, l’ion hydrogénosulfate est le réactif limitant de la réaction.

- x_max = n₁ = n (H₃O⁺) = n (SO₄^{2
–}) = 0,741 mol

- Concentration des ions oxonium :

- Le tableau d’avancement de la réaction permet d’écrire :

- [H₃O ⁺] = [SO₄^{2
–}] ≈ 1,48 × 10^–5 mol / L

- Pour aller plus loin :

- Valeur du pH de la solution :

- pH = – log[H₃O⁺] => pH ≈ 4,8

Une réaction dans un verre d’eau

Lorsqu’un comprimé d’aspirine effervescent est introduit dans un verre d’eau,

il se produit une réaction acido-basique entre l’aspirine ou l’acide acétylsalicylique C₉H₈O₄

ou C₈H₇O₂COOH principe actif du médicament, et l’ion hydrogénocarbonate HCO₃^–.

On met en contact dans une enceinte fermée (V = 300 mL) un comprimé d’aspirine 500

(contenant 500 mg de principe actif) et une solution d’hydrogénocarbonate de sodium (V₁ = 10 mL ; C₁ = 0,5 mol / L).

La réaction est suivie par mesure de la pression à l’intérieur de l’enceinte.

La température expérimentale est constante et égale à 26 ° C, soit 299 K :

1)- Acide / base :

a)- Quelle est la base conjuguée de l’aspirine C₉H₈O₄ ou C₈H₇O₂COOH ? Écrire la demi-équation acido-basique correspondante.

b)- Quelle est l’acide conjuguée de l’ion hydrogénocarbonate HCO₃^– ? Écrire la demi-équation acido-basique correspondante.

c)- Écrire l’équation de la réaction acido-basique qui se produit lors de l’expérience.

d)- Le dioxyde de carbone est peu soluble dans l’eau. Justifier la méthode utilisée pour suivre la réaction.

2)- Réaction :

a)- En utilisant un tableau d’avancement, vérifier que la solution d’hydrogénocarbonate de sodium utilisée

permet la consommation totale de l’aspirine contenue dans le comprimé.

b)- Comment a-t-on mesuré les 10 mL de la solution : à l’éprouvette ou à la pipette jaugée. Justifier.

3)- Montrer que, si P (CO₂) est exprimé en pascal, en a sensiblement :

- n (CO₂) = 1,21 × 10^–7 × P (CO₂).

4)- On suppose que, pour t = 600 s, la réaction est terminée.

Déterminer la quantité de matière de dioxyde de carbone formé au cours de la réaction.

5)- Établir la relation entre la quantité de matière de dioxyde de carbone n (CO₂) formé et la quantité de matière d’aspirine consommée n (asp).

6)- En déduire la masse d’aspirine contenue dans un comprimé et la comparer à la valeur donnée dans l’énoncé.

Données : R = 8,31 S.I

M (C) = 12,0 g / mol ; M (H) = 1,00 g / mol ; M (O) = 16,0 g / mol

1)- Acide base : acétylsalicylate

a)- Base conjuguée de l’aspirine :

- Formule de l’aspirine (acide) :

C₈H₇O₂COOH _(aq) + HCO₃^– _(aq) → C₈H₇O₂COO^– _(aq) + (CO₂, H₂O)

d)- Comme le dioxyde de carbone est peut soluble dans l’eau, on peut suivre l’avancement de la réaction

en mesurant la pression du dioxyde de carbone

2)- Tableau d’avancement :

- Masse molaire de l’aspirine : M = 180 g / mol

Équation		C₈H₇O₂COOH _(aq)	+ HCO₃^–_(aq)	→	C₈H₇O₂COO^– _(aq)	+ (CO₂, H₂O)
État du système	Avanc.
État initial (mmol)	x = 0 mmol		n₁ = C₁. V₁
État initial (mmol)	x = 0 mmol	n₀ = 2,78	n₁ = 5,00		0	0
Au cours Trans.	x mmol	n₀ - x	n₁ - x		x	x
État final (mmol)	x = x_max mmol	n₁ – x_max≥ 0	n₁ – x_max≥ 0		x_max	x_max
x_max (mmol)	2,78	0	2,22		2,78	2,78

e)- Mesure du volume de solution :

- On peut utiliser une éprouvette graduée de 25 mL car il n’est pas nécessaire d’être très précis.

- L’hydrogénocarbonate de sodium est le réactif en excès.

3)- Relation : On considère que le dioxyde de carbone se comporte comme un gaz parfait :

équation d'état des gaz parfaits :

- p.V = n . R . T

4)- Quantité de matière de dioxyde de carbone formé au cours de la réaction :

- Par lecture graphique, on trouve : n (CO₂) ≈ 1,21 × 10^–3 × 217 × 100

- n (CO₂) ≈ 2,63 x 10^{– 3} mol

5)- Relation entre n (CO₂) et n (asp) consommée.

- n (asp) = n (asp)_initial - n (asp)_final.

- Comme l’aspirine a totalement été consommée,

- n (asp) = x_max= n (CO₂)_final ≈ 2,63 × 10^–3mol

- Voir le tableau d’avancement.

6)- Masse d’aspirine :

- m (asp) = n (asp). M (asp)

- m (asp) = 2,63 × 10^–3 × 180

- m (asp) ≈ 473 mg au lieu de 500 mg.

- Ceci vient du fait que le dioxyde de carbone est soluble dans l’eau

- surtout lorsque le pH de la solution est voisin de 7.

- Le dioxyde de carbone ne se dégage pas entièrement.

- La solubilité du dioxyde de carbone dans l'eau augmente aussi avec la pression.

- Calcul d’erreur :

- Incertitude relative

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Exercice 11 page 109	Exercice 30 page 113
Exercice 18 page 110