ENSEIGNER
dimanche 19 novembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME: Transformation chimique et avancement
  -  _ (Anciens programmes)  -  Chimie

Activité 1: Préparation et première mesure. Défaut d'acide

 
  1. Préparation

Le montage utilisé est représenté ci-dessous. L’expérience consiste à ajouter plusieurs fois un volume connu d’acide chlorhydrique dans un ballon qui contient une masse également connue d’hydrogénocarbonate de sodium.

Peser précisément, dans un ballon, une masse m0 comprise entre 0,6 et 0,9 g d’hydrogénocarbonate de sodium (NaHCO3). Noter m0. Assembler à nouveau le montage avec précaution. Faire vérifier par le professeur qu’il n’y a pas de fuite.

2. Première mesure : défaut d’acide

Le montage utilisé est représenté ci-dessous. L’expérience consiste à ajouter plusieurs fois un volume connu d’acide chlorhydrique dans un ballon qui contient une masse également connue d’hydrogénocarbonate de sodium.

Peser précisément, dans un ballon, une masse m0 comprise entre 0,6 et 0,9 g d’hydrogénocarbonate de sodium (NaHCO3). Noter m0. Assembler à nouveau le montage avec précaution. Faire vérifier par le professeur qu’il n’y a pas de fuite.

  1. Verser exactement V1 = 1,0 mL d’acide.    Décrire ce qui se passe dans le ballon. 

      Noter le volume de gaz dégagé dès que le système chimique n’évolue plus.

  1. Calculer la quantité de matière d’hydrogénocarbonate introduite à partir de la masse m0 et de la masse molaire de NaHCO3.
  2. Exprimer la quantité de matière d’ions H+ introduite na en appelant ca la concentration en ions H+.
  3. Dans le tableau d’avancement ci-dessous, remplir la ligne décrivant l’état initial.



NaHCO3+ H+-->  Na++ H2O+ CO2

avancement x(mol)quantité de matière (mol)quantité de matière (mol)quantité de matière (mol)solvantquantité de matière (mol)
Etat initial



solvant
Pendant la réaction



solvant
Etat final



solvant

e. Remplir la ligne intermédiaire “ Pendant la réaction ” et la ligne “ État final ”.

f. Déduire du volume de dioxyde de carbone mesuré, la quantité de matière (en mole) de produit formé. On considérera que le volume molaire est VM = 24 L.mol–1.

g. En déduire la valeur de xmax. Déterminer la quantité de matière de NaHCO3 restante à l’état final.

h. Sachant que H+ est un réactif limitant, en déduire la concentration ca en ions H+ dans le millilitre d’acide introduit.

 


Préparation: Préparation et première mesure. Défaut d'acide

Commentaires sur les résultats expérimentaux :
Une étude détaillée de cette réaction montre que le volume de dioxyde de carbone est inférieur au volume attendu. Il manque 10 à 20 % de CO2 au bilan final (la solubilité de ce gaz dans l’eau est responsable de ce fait). Il ne faut donc pas donner aux élèves la concentration en acide, car ils ne comprendraient pas le bilan de matière effectué, mais faire calculer une concentration “ apparente ” à partir du volume de dioxyde de carbone effectivement obtenu.
La différence entre le volume de CO2 obtenu et le volume théoriquement attendu est d’autant plus faible que le volume du ballon utilisé est grand. Cela provient du fait que le gaz recueilli sur la cuve à eau est surtout constitué d’air quand le volume du ballon est grand. On a donc intérêt à utiliser un grand récipient pour réaliser cette expérience.
Le travail demandé dans ce TP, sans être malhonnête, contourne la difficulté due à l’inévitable solubilisation du dioxyde de carbone. Pour cela, il faut que les questions soient posées comme nous le préconisons.
Valeurs expérimentales obtenues le 24/12/99 à 13h45 :

masse 0,436 g (5,2 mmol)
acide 2 mol.L–1
volume de CO2 pour des additions successives de 1 mL d’acide environ 2 mol.L–1 (1 mL = 2 mmol d’ions H+) :
1 mL 20 mL (0,83 mmol de CO2)
2 mL 42 mL (1,7 mmol)
3 mL 60 mL (2,5 mmol)
4 mL 80 mL (3,3 mmol)
8 mL HCl 110 mL CO2 soit 4,6 mmol
avec un acide environ 6 mol.L–1. (1 mL = 6 mmol)

2,46 g de NaHCO3 (29,3 mmol)
0,5 mL 65 mL (2,7 mmol)
1,0 mL 130 mL (5,4 mmol)
2 mL 240 mL (10 mmol)
3 mL 365 mL (15,2 mmol)
4 mL 480 mL (20 mmol)
5 mL et au delà, volume pratiquement constant.

Pour la préparation du montage :

Précaution : mettre une goutte de glycérine lorsque l’on enfonce une pièce de verre dans un bouchon, cela évite la casse et facilite le démontage. On pourra aussi utiliser du Parafilm.

Le professeur veillera personnellement au démontage de la burette, instrument fragile et coûteux, ainsi qu’à son remontage après la pesée de NaHCO3 car à la moindre fuite, l’expérience est perdue.

La lecture “ à l’envers ” de l’éprouvette est une source d’erreur chez les élèves. Le professeur veillera à ce que la lecture soit correctement effectuée.

Corrigé: Préparation et première mesure. Défaut d'acide

  1. Environ 20mL.
  2. n = m0/84 (Avec notre pesée: masse 0,436 g, on a n = 5,2.10–3 mol)
  3. na = ca.V1(V1 = 1,0 mL, ca est pour l’instant inconnu de l’élève).
  4. Il suffit de mettre les données calculées précédemment, ainsi que « 0 » pour Na+ et CO2.
  5. La ligne se remplit de façon automatique.
  6. VCO2= 20 mL. nCO2 = V/VM = 20.10–3 / 24 = 0,83.10–3mol.
  7. xmax est la quantité de matière de CO2 qui vient d’être calculée : xmax = 0,83.10–3 mol.
    Il reste 5,2.10–3–xmax= 4,4.10–3 mol d’hydrogénocarbonate de sodium.
  8. Si H+ est le réactif limitant, on peut écrire ca.V1–xmax = 0 soit ca.V1 = xmax. On en déduit ca = xmax / V1 = 0,83.10–3/1,0.10–3 = 0,83 mol.L–1 (deux chiffres significatifs).



    NaHCO3+ H+--> Na++ H2O+ CO2

    avancement x (mol)quantité de matière (mol)quantité de matière (mol)quantité de matière (mol)solvantquantité de matière (mol)
    Etat initial05,2.10–3ca.V10solvant0
    Pendant la réactionx5,2.10–3–xca.V1–xxsolvantx
    Etat final xmax4,4.10–300,83.10–3solvant0,83.10–3

Savoir: Préparation et première mesure. Défaut d'acide

L’eau dans le tableau d’avancement
Les réactions chimiques en solution aqueuse pour lesquelles l’eau est un produit de la réaction sont toujours délicates à gérer avec les élèves. En effet, il y a deux sortes d’eau : l’eau solvant, et l’eau produit de la réaction. C’est la raison pour laquelle, dans nos tableaux d’avancement, on indique pudiquement que l’eau est un solvant, sans prendre en compte la faible augmentation de la quantité de matière due à l’eau produite pendant la réaction.