Les supports didactiques imprimés de la leçon : Transformations chimiques qui s'effectuent en deux sens
Activités de la leçon
Document : Situation de départ
Deux acides de même concentration, mais des pH différents.
Au laboratoire de chimie, deux béchers A et B contiennent chacun une solution acide préparée avec exactement la même concentration molaire initiale $C = 1,0 \cdot 10^{-2} \text{ mol/L}$. Le premier bécher contient de l'acide chlorhydrique (l'esprit de sel, couramment utilisé pour détartrer), et le second contient de l'acide éthanoïque (le composant principal du vinaigre de cuisine).
En plongeant un capteur dans ces solutions, on s'attend logiquement à trouver la même acidité. Cependant, en mesurant le pH, on trouve $pH = 2,0$ pour le premier acide, mais $pH = 3,4$ pour le second !
Problème : Pourquoi deux acides introduits avec la même concentration initiale donnent-ils des valeurs de pH si différentes ? Est-ce que toutes les molécules d'acide introduites ont réellement réagi avec l'eau dans les deux béchers ? Comment pouvons-nous quantifier cette différence de comportement chimique ?
Activité expérimentale 1
Mesure du pH d'une solution d'acide chlorhydrique fort.
On verse, dans un bécher, un volume $V = 100 \text{ mL}$ d'une solution de chlorure d'hydrogène (l'acide chlorhydrique) de concentration $C = 1,0 \cdot 10^{-2} \text{ mol.L}^{-1}$. On immerge la sonde du pH-mètre et on mesure un pH de $2,0$.
On donne les couples : ${HCl}_{(aq)} / {Cl^-}_{(aq)}$ et ${H_3O^+}_{(aq)} / {H_2O}_{(l)}$.
Questions :
1 Écrire l'équation de la réaction acido-basique entre le chlorure d'hydrogène et l'eau.
2 Dresser le tableau d'avancement de cette réaction.
3 Déterminer la valeur de l'avancement maximal $x_{max}$.
4 À partir du pH mesuré, calculer l'avancement final $x_f$ et le comparer à $x_{max}$.
5 Que concluez-vous sur l'importance du suivi du pH ?
Activité expérimentale 2
Mesure du pH d'une solution d'acide éthanoïque.
Dans un autre bécher, on introduit un volume $V = 100 \text{ mL}$ d'une solution d'acide éthanoïque de même concentration $C = 1,0 \cdot 10^{-2} \text{ mol.L}^{-1}$. On immerge la sonde du pH-mètre et cette fois-ci, on mesure un pH de $3,4$.
Couples : ${CH_3COOH}_{(aq)} / {CH_3COO^-}_{(aq)}$ et ${H_3O^+}_{(aq)} / {H_2O}_{(l)}$.
Questions :
1 Écrire l'équation de la réaction entre l'acide éthanoïque et l'eau.
2 En s'appuyant sur un tableau d'avancement, déterminer l'avancement maximal $x_{max}$.
3 À partir du pH mesuré, calculer l'avancement final $x_f$ et le comparer à $x_{max}$.
4 Que concluez-vous sur l'état final de cette réaction et sur l'utilité du pH-mètre ?
Activité expérimentale 3
Perturbation du système : évolution dans le sens direct (A) et indirect (B).
On dispose d'une solution $S$ d'acide éthanoïque à l'état final (limitée), dont le pH mesuré est stable à $pH = 3,40$. On répartit cette solution à volumes égaux dans deux béchers A et B.
Dans le bécher A, on ajoute quelques gouttes d'acide éthanoïque pur (${CH_3COOH}$). On remarque que le pH chute à $pH_A = 2,60$.
Dans le bécher B, on ajoute des cristaux d'éthanoate de sodium (apportant la base conjuguée ${CH_3COO^-}$). On remarque que le pH augmente à $pH_B = 5,10$.
Questions :
1 En vous basant sur la baisse du $pH$ dans le bécher A, déduire le sens d'évolution de la réaction (production ou disparition des ions ${H_3O^+}$).
2 En vous basant sur la hausse du $pH$ dans le bécher B, déduire l'autre sens d'évolution de la réaction.
3 Que concluez-vous sur la nature de l'équation bilan de cette transformation ?
Exercices d'application
Exercice 1 : Réaction de l'acide éthanoïque
Dans une fiole jaugée de volume $V_0 = 100 \text{ mL}$, on introduit une masse $m$ d'acide éthanoïque ${CH_3COOH}_{(l)}$, puis on complète avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge et on homogénéise. On obtient une solution $S_0$ d'acide éthanoïque de concentration molaire $C_0 = 5,0 \cdot 10^{-2} \text{ mol.L}^{-1}$.
La mesure de la conductivité de la solution $S_0$ donne $\sigma_0 = 34,3 \text{ mS.m}^{-1}$ à $25^\circ C$.
2 Écrire l'équation de la réaction associée à la transformation de l'acide dans l'eau en respectant la notation stricte des flèches.
3 Dresser le tableau d'avancement descriptif complet de cette réaction en utilisant $x_{éq}$.
4 Exprimer la conductivité $\sigma_0$ de la solution à l'état d'équilibre en fonction des conductivités molaires ioniques ($\lambda$) et de la concentration $[H_3O^+]_{éq}$.
5 Déduire la valeur de la concentration $[H_3O^+]_{éq}$ en $\text{mol.m}^{-3}$, puis en $\text{mol.L}^{-1}$.
6 Calculer la valeur du pH de cette solution $S_0$.
7 Exprimer puis calculer le taux d'avancement final $\tau_0$. La réaction est-elle totale ?
8 On réalise la même étude avec une solution $S_1$ plus diluée ($C_1 = 5 \cdot 10^{-3} \text{ mol.L}^{-1}$). Le calcul montre que $\tau_1 = 12,5\%$. En déduire l'influence de la concentration initiale sur le taux d'avancement.
Exercice 2 : Étude de l'acide benzoïque
On dispose d'une solution $S$ d'acide benzoïque ${C_6H_5COOH}_{(aq)}$ de concentration massique $C_m = 1,22 \text{ g.L}^{-1}$. La mesure de son pH donne une valeur de $3,1$. On utilise un volume $V = 200 \text{ mL}$.
1 Rappeler la définition d'un acide selon Brönsted et écrire le couple acide-base de l'acide benzoïque.
2 Calculer la masse molaire $M$ de cet acide.
3 En utilisant la relation $C = \frac{C_m}{M}$, déduire la concentration molaire $C$ de la solution $S$.
4 Écrire l'équation de la réaction entre l'acide benzoïque et l'eau.
5 Dresser le tableau descriptif d'évolution (tableau d'avancement) de ce système pour le volume $V$.
6 Calculer la valeur de l'avancement maximal $x_{max}$ en justifiant l'hypothèse choisie.
7 En s'appuyant sur la relation du pH, déterminer de manière détaillée la valeur de l'avancement final $x_f$.
8 Calculer le taux d'avancement final $\tau$. Que concluez-vous sur l'état de la transformation ?
FIGURES de la leçon
Échelle de pH et correspondance avec la concentration en ions oxonium.Outils de mesure : Papier pH (approximatif) et pH-mètre électronique (précis).Chocs efficaces simultanés dans le sens A+B et dans le sens C+D.
