TP Chimie N° 04 |
Avancement final d'une réaction. Correction. |
|
Objectifs : |
=> Déterminer pour différentes conditions le réactif limitant
d’une
transformation chimique. |
=> Étudier l’influence de la quantité de matière d’un réactif
sur
l’avancement final |
- Une solution d’acide acétique, de formule CH3COOH (aq), réagit avec le carbonate de calcium (calcaire) CaCO3 (s).
- L’un des produits formés est gazeux.
- La température et le volume étant connus, la mesure de la pression de ce gaz permet de déterminer la quantité de matière correspondante.
- Équation de la réaction.
a)- Le calcaire a une structure ionique. Donner les ions présents dans ce solide.
- Le carbonate de calcium contient les ions calcium Ca2+ (aq) et
- les ions carbonate
CO32–
(aq). |
b)- Proposer une expérience permettant de vérifier que le gaz formé est du dioxyde de carbone.
- On peut utiliser le test à l’eau de chaux. - On fait barboter le gaz produit dans l’eau de chaux. - Si l’eau de chaux se
trouble, le gaz dégagé est du dioxyde de carbone. |
c)- Sachant qu’au cours de la réaction, il se forme également de l’eau et des ions acétate CH3COO– (aq), écrire son équation.
-
Équation de la réaction :
2
CH3COOH
(aq) +
CaCO3
(s) →
2
CH3COO–
(aq)
+
Ca2+
(aq)
+
(CO2
, H2O)
|
Schéma de l’expérience : |
On verse dans un flacon, - un volume V1 = 60,0 mL de solution
- d’acide acétique de concentration molaire
C1
= 0,50 mol / L. - On bouche le flacon et on note la pression initiale de l’air qu’il contient :
-
pair
= 1018 hPa. -
On considère que le volume
d’air emprisonné vaut V
= -
La température ambiante : θ
= -
On pèse une masse
m2 =
-
On pèse une masse
m2 =
- en le déposant sur du papier-filtre. -
On
l’introduit dans le flacon et on ferme rapidement - On agite le flacon. - Lorsque le dégagement gazeux cesse. - On attend que la température se stabilise, -
puis on relève
la pression du mélange gazeux et on la note dans le tableau. - On recommence l’expérience pour des masses de calcaire : - m = 0,40 g ; 0,60 g ; 0,80 g ; 1,00 g ; …. |
- Tableau de mesures : reproduire le tableau suivant.
m (g) |
p air (hPa) |
p (hPa) |
p (CO2) (hPa) |
n (CO2) (mol) |
n (CaCO3)
(mol) |
0,20 |
1018 |
1067 |
|
|
|
0,40 |
1018 |
1115 |
|
|
|
0,60 |
1018 |
1164 |
|
|
|
0,80 |
1018 |
1213 |
|
|
|
1,00 |
1018 |
1261 |
|
|
|
1,20 |
1018 |
1310 |
|
|
|
1,40 |
1018 |
1359 |
|
|
|
1,60 |
1018 |
1383 |
|
|
|
1,80 |
1018 |
1383 |
|
|
|
2,00 |
1018 |
1383 |
|
|
|
2)- Exploitation des mesures.
aa)- Comment déterminer la pression du dioxyde de carbone p (CO2) ? Justifier votre réponse.
- Détermination de la pression de carbone p
(CO2)
- On considère que le dioxyde de carbone qui se forme se comporte comme un gaz parfait. - Au départ, la pression est égale à la pression atmosphérique. - On peut considérer que l’on a emprisonné n mol des gaz présents dans l’air. -
Ici, on travaille à volume constant
V
= - Avant la réaction : (1) - La réaction se produit et la pression augmente car il se forme du dioxyde de carbone. - Supposons que la quantité de matière de dioxyde de carbone obtenu est n1. - La pression du dioxyde de carbone est : (2) - Le récipient contient n moles de gaz et n1 moles de dioxyde de carbone : - la pression dans le récipient est donnée par la relation : - (3) |
- Calculer et noter les différentes valeurs dans le tableau.
- On donne :
- Volume du flacon V = 1,00 L ;
- Température ambiante
θ
=
b)- Pour chaque expérience, calculer la quantité de matière n (CO2) de dioxyde de carbone formé. La noter dans le tableau.
- À partir de la relation (2), on peut calculer la quantité de matière de dioxyde de carbone : - (4) |
c)- Compléter le tableau.
m
(g) |
p air
(hPa) |
p
(hPa) |
p (CO2)
(hPa) |
n (CO2)
(mol) |
n (CaCO3)
(mol) |
0,20 |
1018 |
1067 |
48,6 |
2,0E-03 |
2,0E-03 |
0,40 |
1018 |
1115 |
97,3 |
4,0E-03 |
4,0E-03 |
0,60 |
1018 |
1164 |
145,9 |
6,0E-03 |
6,0E-03 |
0,80 |
1018 |
1213 |
194,6 |
8,0E-03 |
8,0E-03 |
1,00 |
1018 |
1261 |
243,2 |
1,0E-02 |
1,0E-02 |
1,20 |
1018 |
1310 |
291,9 |
1,2E-02 |
1,2E-02 |
1,40 |
1018 |
1359 |
340,5 |
1,4E-02 |
1,4E-02 |
1,60 |
1018 |
1383 |
365,2 |
1,5E-02 |
1,6E-02 |
1,80 |
1018 |
1383 |
365,2 |
1,5E-02 |
1,8E-02 |
d)- Tracer le graphe représentant la quantité de matière n (CO2) de dioxyde da carbone formé en fonction de m1 masse de calcaire utilisé.
- Interpréter le graphe obtenu.
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- La quantité de matière
n (CO2)
est proportionnelle à m1
tant que m1
< - n
(CO2)
= k . m1
avec
k = 0,010 mol / g -
Pour
m1
≥
|
e)- Tracer le graphe représentant la quantité de matière n (CO2) de dioxyde da carbone formé en fonction de la quantité de matière n (CaCO3)de calcaire utilisé.
- Commenter le graphe obtenu.
- Que peut-on déduire de ce graphe ?
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- La quantité de matière n (CO2) est proportionnelle à n (CaCO3)
tant que
n2 =
n (CaCO3)
< 1,5
× 10– 2
mol.
- n (CO2)
= n2 =
n (CaCO3)
- Pour
n2 = n (CaCO3)
≥ 1,5
× 10– 2
mol, alors :
n (CO2)
= 1,5
× 10– 2
mol. |
Exploitation avec le tableur Excel :
- Pour connaitre l'équation de la courbe, on utilise que les valeurs de la masse du ruban de magnésium : 0 < m1 < 1,50 g
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- Courbe : n (CO2) = f (m1)
- On ajoute une courbe de tendance et on demande d'afficher l'équation de la courbe et le coeffcient de détermination.
- Le coeffcient directeur de la droite moyenne a ≈ 10 mmol / g
- Courbe : n (CO2) = f (n (CaCO3))
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- Le coeffcient directeur de la droite moyenne a ≈ 1,0
3)- Utilisation d’un tableau d’avancement.
- On travaille toujours avec la même réaction.
- La quantité de matière n1 d’acide acétique est celle utilisée dans le II-1)-.
- On introduit
une masse m2
=
- Établir un tableau d’avancement et déterminer la quantité de matière nf (CO2) de dioxyde de carbone dans l’état final.
équation |
2
CH3COOH |
+
CaCO3 |
→ |
2
CH3COO– |
+
Ca2+ |
+
(CO2, H2O) |
|
état
du système |
Avancement |
n
(CH3COOH) |
n
(CaCO3) |
|
n
(CH3COO–) |
n
(Ca2+) |
n
(CO2, H2O) |
|
x
en mol |
n1
en mol |
n2
en mol |
|
n3
en mol |
n4
en mol |
n5
en mol |
état
initial du système |
x
= 0 |
n1
|
n2
|
|
0 |
0 |
0 |
Système
au cours de
la transformation |
x |
n1
- 2
x |
n2
- x |
|
2
x |
x |
x |
état
final du système |
xmax |
n1
- 2
xmax |
n2
- xmax |
|
2
xmax |
xmax |
xmax |
- Présenter les résultats sous forme d’un tableau.
Au
cours de
Lorsque
l'avancement de
►
Il
disparaît :
►
2 x
(mol) d'acide éthanoïque,
►
x
(mol) de carbonate de calcium.
► Apparaît
:
►
2 x
(mol) d'ions éthanoate,
►
x
(mol) d’ions calcium,
►
x
(mol) de molécules de dioxyde de carbone. |
- La réaction s’arrête par manque d’un des réactifs. Le réactif limitant est l’acide éthanoïque. - Le carbonate de calcium a été introduit en excès. - Pour calculer l’avancement maximal de la réaction, on peut utiliser la méthode suivante : - Hypothèse 1 : - On suppose que le réactif limitant est l’acide éthanoïque : - Dans ce cas :
n1 -
2 xmax1
= 0
=> xmax1
=
n1
/
2
=>
xmax1
=
1,5
×
10– 3
mol - Hypothèse 2 : - On suppose que le réactif limitant est le carbonate de calcium : - Dans ce cas :
n2 -
xmax2
=
0 => xmax2
=
n2
=>
xmax2
=
2,0
×
10– 3
mol - Conclusion : - Comme on ne peut pas consommer plus de réactifs qu’il n’y en a : - L’avancement maximal est égal à la plus petite des deux valeurs trouvées :
- x
max
=
1,5
x
10– 3
mol =
xmax1
<
xmax2 - On peut ainsi compléter le tableau d’avancement : |
équation |
2
CH3COOH |
+
CaCO3 |
→ |
2
CH3COO–
|
+
Ca2+ |
+
(CO2, H2O) |
|
état
du système |
Avancemnent |
n1
en mol |
n2
en mol |
|
n3
en mol |
n4
en mol |
n5
en mol |
|
x
en mol |
|
|
|
|
|
|
état
initial du
système |
x
= 0 |
n1
|
n2
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
3,00E-02 |
2,00E-02 |
|
0 |
0 |
0 |
|
Système au cours de la transformation |
x
|
n1
- 2 x |
n2
- x |
|
2
x |
x |
x |
état
final du système |
x
max |
n1
-
2
xmax |
n2
- xmax |
|
2
xmax |
xmax |
xmax |
0,000 |
0,005 |
|
0,030 |
0,015 |
0,015 |
- Avant la réaction :
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- Au cours de la réaction :
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- En fin de réaction :
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Vidéo de l'avancement de la réaction entre l'acide éthanoïque et le carbonate de calcium.
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- Tracer sur un même graphe :
- n (CH3COOH) = f (x) ;
- n (CaCO3) = g (x) ;
- n (CO2) = h (x) ;
- n (CH3COO – ) = f’(x).
- Audébut de la réaction :
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- Au cours de la réaction :
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- En fin de réaction :
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- Commenter le graphe obtenu et conclure.
- La réaction s'arrête lorsque tout l'acide éthanoïque a réagi. - Il reste de carbonate de calcium en fin de réaction et - il
s'est formé des ions calcium, des ions acétate, du dioxyde de
carbone et de l'eau. |
- Déterminer les quantités de matière des différentes espèces présentes en fin de réaction (voir tableau d'avancement).