[PDF] Les transformations chimiques - Enoncés des exercices

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1Exercices du chapitre 2 Les transformations chimiques Enoncés des exercices Exercice1:expressionsdequotientsréactionnelsSoitlesréactionsd'équation-bilansuivantes:1) 2MnO4-(aq)+6H+(aq)+5H2O2(aq)=2Mn2+(aq)5O2(g)+8H2O(ℓ)2) CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)3) 4HCl(g)+O2(g)=2H2O(g)+2Cl2(g)4) Hg2+(aq)+Hg(ℓ)=Hg22+(aq)ExprimerleurquotientderéactionQenfonctiondesactivitésdesespècesmisesenjeu,ensupposantlesgazparfaits,lessolutionsdiluéesetlesliquidesseulsdansleurphaserespective.Exercice2:laformationdel'ammoniac.Laproductionmondialed'ammoniacNH3s'estélevéeà177millionsdeten2015.(noussommes7,55milliardsd'habitants,celadonneuneconsommationvoisinede24kgparhabitantdelaplanète).A400°C,sous1bar,onobtientdel'ammoniacNH3àpartirdudiazotedel'airN2etdudihydrogèneH2.Laréactionn'estobservéequ'enprésenced'uncatalyseuràbasedefer.

2Unréacteurcontientinitialementlesystèmechimiquesuivant:8,4moldeN2et21moldeH2,obtenuparréformageduméthaneCH4(oud'autreshydrocarbures)parlavapeurd'eau.1) Ensupposantquetouslesgazsontparfaits,calculerlevolumeinitialduréacteurquicontientlesystèmechimiquedécrit.2) Proposerl'équationchimiquedelaréactionchimiquequiestobservée:a. Sil'onprendlenombrestoechiométriquedeN2égalà1:réaction[1]b. Ousil'onprendlenombrestoechiométriquedeNH3égalà1:réaction[2]3) Donnerenfonctiondel'avancementξlacompositiondusystèmeàuninstantt:a. Sil'onutiliselaréaction[1]b. Sil'onutiliselaréaction[2]4) Al' équilibre,1quartdelaquant itéinitialedediazoteadisparu. Donnerlacompositiondusystèmechimique,l'avancementξéqetlevolumeduréacteuràlafindelaréaction:a. Sil'onutiliselaréaction[1]b. Sil'onutiliselaréaction[2]5) Ondé finitlerendementrenammoniac commelerapportdel aquantitéd'ammoniacobtenuesurlaquantitéquel'onobtiendraitsilaréactionétaittotale.Calculerr.Exercice3:av ancementvolumiqueξvd'uneréaction d'oxydo-réductionL'acideoxaliquepeutê treoxydéparlesionsper manganateetcet tetransformati onchimiqueestuneréaction d'oxydo-réductionquipeutêt redécriteparlaréactiond'équation:2MnO4-(aq)+5H2C2O4(aq)+6H+(aq)=2Mn2+(aq)+10CO2(g)+8H2O(l)LepHestmaintenuconstantgrâceàunesolutiontampon.2MnO4-+5H2C2O4+6H+2Mn2++10CO2(g)+8H2Ot=00,01000,0800pH=1,0|00solvantàt10,0050?pH=1,0|??solvantàt2??pH=1,0|0,0080?solvanttinfini0?pH=1,0|??solvant1) Remplirletableauprécédentoùcesontlesconcentrationsquisontutiliséesetl'avancementvolumiquenotéξv:ξv=ξ/V(V=volumeduréacteur).2) Reprendrelamêmequestionmais cettefoi s,l'équ ation-bilanquid écritl'évolutiondusystèmeestécritedifféremment:⎯→⎯

34MnO4-+10H2C2O4+12H+=4Mn2++20CO2(g)+16H2O4MnO4-+10H2C2O4+12H+4Mn2++20CO2(g)+16H2Ot=00,01000,0800pH=1,0|00solvantàt10,0050?pH=1,0|??solvantàt2??pH=1,0|0,0080?solvanttinfini0?pH=1,0|??solvantExercice4:da nslesnavettes spatiales,ex pressionsdeconstantesd'équilibre.Pourdesvol sspatiaux courts,ledioxygène nécessaireauxastronautes peutêtreembarquéetdanslanavette,descartouchesd'hydroxydedelithiumpermetdepiégerledioxydedecarboneémis,selonlaréaction:CO2(g)+2Li(OH)(s)=Li2CO3(s)+H2O(l).1) Exprimerlaconstanted'équilibredecetteréaction(loid'actiondesmassesourelationdeGuldbergetWaage).Pourdesvolsp rolongés,e tdesmissions pluslongues,l'équipagedoitré générerl edioxygèneO2àpartirdeCO2.Parexemple,danslastationspatialerusseSalyoutdudébutdesannées80,etquiaétéremplacéeparlastationMirparlasuite,lesuperoxydedepotassiumKO2solideréagitavecledioxydedecarboneCO2.IlseformeducarbonatedepotassiumsolideK2CO3.Laconstanted'équilibreK°delaréactionapourexpression:K°=(PO2/P°)3/(PCO2/P°)22) Ecrirel'équationdelaréactionquiserapporteàcetteconstanted'équilibre.Exercice5:avancementmaximaletétatfinald'unsystèmeLesfréons ontétélargementuti lisésautref oisdansle sbombesaérosolset commefluidesréfrigérantsdanslesréfrigérantsetlesclimatiseurs.Maisilscontribuentàl'effetdeserre etattaquentlac ouched'o zone.Alorsonutiliseaujourd 'huides substituts,commeC2H2F4,appeléHFC-134adansl'industrie:iln'altèrepaslacouched'ozonemaiscontribuecependantàl'effetdeserre.Ilestforméparlaréactiontotale:C2HF3+HFC2H2F4⎯→⎯⎯→⎯

41) Ecriretouteslesfor mulesdéveloppéesdes isomèresqu iontlaformulemoléculaireC2H2F4.Queltyped'isomérieleslie?2) LeHFC-134aestle1,1,1,2-tétrafluoroéthane:repérez-leparmilesisomèresquevousavecreprésentés.Onfaitréagir100gdeC2HF3avec30,12gdeHF.3) Quellemassedepeut-onobteniretquelleestlamasseduréactifenexcèsàlafindelaréaction?Données:massesmolaires:C2HF3:82,03g.mol-1HF:20,01g.mol-1HFC-134a:102,04g.mol-1Exercice6:avancementmaximalUnéchantillondemagnésiumMg(s)demasse0,450gbrûledanslediazoteN2(g)pourformerdunitruredemagnésiumMgN3(s).Laréactionesttotale:2Mg(s)+3N2(g)=2MgN3(s)réactiontotale1) Quellemassedenitruredemagnésiumobtient-on?Quelleestalorslavaleurdel'avancementξ puisquelaréactionesttotale?2) Quellemassedediazoteestnécessaire?Données:massesmolaireseng.mol-1Mg:24,31N:14,01Exercice7:expressiond'uneconstanted'équilibreLechloruredenitrosyleNOClsedécomposeenNOetCl2.Touscesconstituantssontgazeux:2NOCl(g)=2NO(g)+Cl2(g).A500K,laconstanted'équilibrevautK°=1,8.10-2.Les3gazsontenfermésdansuneenceinteà500K.Al'équilibre,lespressionspartiellesdeNOetdeCl2valent:PNOéq=0,11barPCl2éq=0,84barCalculerlapressionpartielledeNOClàl'équilibre.Exercice8:évolutionsdequelquessystèmesSoitlaréactionéquilibrée:CH3COOH(aq)+HCOO-(aq)=CH3COO-(aq)+HCOOH(aq)K°=0,1

5Prévoirlesensd'évolutiondesdifférentssystèmesversl'étatd'équilibresil'onpartde:1) [CH3COOH]0=[HCOO-]0=[CH3COO-]0=0,10mol.L-12) [CH3COOH]0=[HCOOH]0=[CH3COO-]0=0,10mol.L-13) [CH3COOH]0==[HCOOH]0[HCOO-]0=[CH3COO-]0=0,10mol.L-14) [CH3COOH]0=0,10mol.L-1et[HCOOH]0=[HCOO-]0=[CH3COO-]0=0,010mol.L-1Danslecasdu mélangeinitialdela question1),déterminer lesvale ursdesconcentrationsàl'équilibre.Exercice9:équilibredeDeaconLechlorured'hydrogèneetledioxygèneenprésenced'uncatalyseurdonnentlieuàl'équilibrechimiqueenphasegazeuse:4HCl(g)+O2(g)=2H2O(g)+2Cl2(g)• Laphasegazeuseestassimiléeàungazparfaitetonrappellelaconstantedesgazparfaits:R=8,314J.K-1.mol-1.• Lapressionderéférencede1barestnotéep°.Laconstanted'équilibreK°decetteréactiondépenddelatempératureT,expriméeenkelvin:LnK°(T)(=((13(880T((.((15,71) CalculerK°à800K.Onmélangedansunréacteurn0=3molesdeconstituantsgazeuxrépartisenn1moledeHCl,n2moledeO2,n3moledeH2Oetn4moledeCl2sousunepressiontotaleconstanteégaleà1baretàT=800K.2) Calculerlapressionpartielledesdifférentsgazdanslecassuivant:n1=n2=1n3=n4=0,53) CalculerlequotientréactionnelinitialQ0.4) ComparerQ0àK°etconcluresurlesensd'évolutiondusystème.Exercice10:dihydrogèneetdérivéshydrogénésUnmodedepréparationindustrielledudihydrogènemetenjeularéactionenphasegazeuse,d'équationsuivante:

6CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)Laréactionsedéroulesousunepressiontotaleconstante,Ptot=10bar.Latempératuredusystèmedemeureconstanteettellequelaconstanted'équilibreK°estégaleà15.Initialement,lesystèmecontient10mo lesdeméthane,30molesd'e au,5mole sdemonoxydedecarboneet15molesdedihydrogène.1) EnutilisantlarelationdeGuldbergetWaage,exprimerlaconstanted'équilibreenfonctiondespressionspartiellesdesconstituantsetdeP°=1bar.ExprimonslarelationdeGuldbergetWaage:í µÂ°= !(!!)!°é!!!(!")!°é!!(!!!)!°é!!(!!!)!°é!2) Exprimerlequotientde réaction Qrenfoncti ondelaquantitédematièr edechacundesconstituants,delapressiontotalePtotetdeP°.CalculerlavaleurdeQràl'instantinitial.Laquotient réactionnelQrs'exprimedelamêmefaçonqu elacons tanted'équilibre,maisaveclesactivités"instantanées»,etpascellesàl'équilibre:í µ!= !(!!)!°!!(!")!°!(!!!)!°!(!!!)!°Chacunepressionspartiellespeuts'exprimerenutilisant3) Lesystèmeest-ilenéquilibrethermodynamique?Justifierlaréponse.4) Silesys tèmen'es tpasenéquilibre,d ansquelsensse produiral' évolution ?Justifierbrièvementlaréponse.Dansunnouvelétatinitial,lesystèmenecontientque10molesdeméthaneet10molesd'eau.5) Dresseruntableaud'avancementfaisantapparaîtrel'avancementξ.6) Déterminerlacompositiondusystèmeàl'équilibre,enpartantdecenouvelétatinitial.Lapressiontotaleresteégaleà10bar.

7Exercice11:dissociationducarbonatedecalciumA1000K,laconstanteK°del'équilibresuivantvautK°=0,91.CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)[1]1) Quelleestlapressionpartielledudioxydedecarboneàl'équilibre?2) Quellemasseminimalem0decarbonatedecalciumCaCO3(s)faut-ilenfermédansuneenceintede10Linitialementvideetquel'onporteà1000Kpourquecetéquilibre[1]s'établisse?3) Quesepasse-t-il:a. Sil'onintroduitunemassemm0?4) Etquesepasse-t-ilsil'onintroduitunequantitésupplémentairedeCaCO3aprèsquel'équilibresesoitétabli?Données:·R=8,314J.K-1.mol-1·Massesmolaireseng.mol-1:C:12O:16Ca:40,1Exercice12:oxydationducuivreparl'acidenitriqueSoitlaréactiond'oxydationdumétalcuivreparunesolutionaqueused'acidenitriqueH3O+,NO3-d'équation:3Cu(s)+8H3O+(aq)+2NO3-(aq)=3Cu2+(aq)+2NO(g)+12H2O(l)Laconstanted'équilibredecetteréactionvaut,à25°C:K°=1.10+63Àuninstantdonné,lasolutiondevolumeV=500mLcontient0,0150mold'ionsCu2+dissous,uneconcentrationenionsnitratede[NO3-]=20mmol.L-1,etsonpHestde1,0.Unmorceaudecuivrede12grammesestimmergédanslasolution(MCu=63,5g.mol-1).Lasolutionestsurmontéed'uneatmosphèreferméedevolumeVa=1,0L,oùlapressionpartielleenmonoxyded'azoteestdePNO=15kPa.Latempéra tureestmaintenueà25°Cdansto utlesystè meparunthermostat.Laconstantedesgazparfaitsest:R=8,31J⋅K-1⋅mol-1.1) Déterminersilesystèmeainsidécritestàl'équilibre,etdanslecascontrairedécrirecomplètementl'étatfinal.

82) Quelleestlamasseminimalequedoitavoirlemorceaudecuivrepourqu'ilresteprésentdanslesystèmeàl'étatfinal?Exercice13:solutionsaqueusesdephénol.LephénolestuncomposéorganiquemoléculairedeformuleC6H6O,seprésentantsouslaformed'unsolidecristallinincolore.Voiciquelquesdonnéessurlephénol:Massemolaire:M=94,1g.mol-1Solubilitémassiquedansl'eauà25°C:sm=98g.L-1Voiciunextraitdelafichedesécuritéduphénolquel'onpeuttrouversurlesitedufournisseurSigma-Aldrich:1) Quelleestlaconcentrationmolairemaximalequel'onpeutobtenirendissolvantduphénoldansl'eauà25°C?Onprépare100mLd'unesolutionaqueuse(S1)dephénoldeconcentrationC1=0,0200mol.L-1.Diagrammes potentiel-pH PSI Page 29 sur 30 DL

Les tournures de cuivre sont oxydées par l'acide nitrique : il y a un dégagement gazeux de monoxyde d'azote NO, incolore et la solution devient bleue, indiquant la présence d'ions Cu 2+ (aq) Au contact de l'air, NO est oxydé en dioxyde d'azote NO 2 , gaz roux : Compléments : méthode pour calculer un nouveau potentiel standard

On associe à chaque demi-équation électronique écrite dans le sens de la réduction une grandeur, que l'on pourrait noter

y°, mais que l'on va préférer écrire ' r g° (bien sûr, on comprendra cette notation un peu plus tard...) telle que : [1] Ox + n e- = Red ' r g° = - n.F.E° F : constante de Faraday et E° : potentiel standard du couple

On associe à chaque équation-bilan 0 = 6Q

i A i de réaction chimique une grandeur, que l'on pourrait noter Y°, mais que l'on va préférer écrire ' r

G° telle que :

[2] 0 = 6Q i A i r G° = - R.T.LnK° K° : constante d'équilibre de la réaction Alors si l'on combine [1] et [3] pour écrire la demi-équation associée au couple : [3] Ox' + n' e- = Red' ' r g°' = - n'.F.E'°

Alors '

r g°' s'exprime en fonction de ' r g° et ' r

G° par la même combinaison linéaire.

Ex : [3] = D[1] + E[2] alors : '

r g°' = D.' r g° + E.' r

G° soit :

- n'.F.E'° = D.(- n.F.E°) + E.(- R.T.LnK°)

Nous voyons que nous avon s bie n exprimé un nouveau potenti el standard, E°' en fonct ion d'autres donnée s

thermodynamiques, ici E° et K°, sans avoir eu besoin d'écrire la relation de Nernst.

9OnmélangeunvolumeV1=20,0mLdelasolution(S1)avecunvolumeV2=80,0mLd'unesolution(S2)des oude(sol utiond'hydroxyde desodium,Na+etHO-)deconcentrationC2=0,0800mol.L-1.Ilseproduitunetransformationchimique,modélisableparlaréactiond'équation:C6H5OH(aq)+HO-(aq)=C6H5O-(aq)+H2O(l)!"#$%&'("&()#*+,-./0/12)#"''%$/,)#3#$)(()#,quationvaut!°=1,0.1042) Calculerlesconcentrations apportéesdesdifférente sespèceschimiques dansl'étatinitial(justeaprèslemélangedessolutions,avantquelaréactionchimiquen'aitlieu).3) Expliquerpourquoilaréactionnepeutenaucuncasêtrerigoureusementtotale.4) Déterminerlacomposition!!"#$%&'()*()%+),"%-'."/)0)%12quilibre.5) Calculerletauxdetransformationduréactiflimitant,conclure.Exercice14:leferdanslesangAttention,lescalculsquisuiventsonteffectuésàlatempératurede37°C.Leplasmasanguinestconsidérécommeétantunesolutionaqueuse.Produitioniquedel'eauà37°C:2H2O(l)=H3O+(aq)+HO-(aq)Ke=2,4.10-14pHphysiologique:7,4Massemolairedufer:55,8g.mol-1Leferjoueunrôleessentieldansl'organisme,nécessairenotammentàlafabricationdel'hémoglobineprésentedanslesglobulesrougesquiassureletransportdudioxygène.Ondonnel'équationdelaréactiondeformationdel'hydroxydedeferFe(OH)3(s)dansl'eauàpartirdesionsFe3+ethydroxydeOH-:Fe3+(aq)+3HO-(aq)=Fe(OH)3(s)constanted'équilibreK°-réaction[1]-A37°C,laconstanted'équilibreK°vaut:K°=1037.Onrappellequedanslesang,lepHaunevaleurfixéeégaleà7,4.1) ExprimerlequotientréactionnelQdelaréaction[1].2) CalculerlaconcentrationenionshydroxydeHO-danslesang.3) Enutilis antlecritèred'évolutiond' unsystè mechimique,endéduirel aconcentrationmaximaleenionsFe3+pourqu'iln'y aitpasformation deFe(OH)3(s).Commenter.Dansleplasmasanguin,enmoyenne,ilyaautotal1,0mgdefer(Fe3+)parlitre,libre

10(c'estàdirevraimentsouslaformeFe3+)oucomplexé(c'est-à-direliéàd'autresatomesoumolécules).4) Calculerlaconcentration t otaleenferFe3+danslepl asma.Commente rencomparantcettevaleuràcelledelaquestionprécédente.Chezl'homme,le stockageetletrans portdes ionsFe3+estenfait assurépa runeprotéineappeléetransferr ine.Laréactionchimique decomplexationduferpar la transferrine,notéeTr,peutêtremodélisédelafaçonsuivante:Fe3+(aq)+Tr(aq)=FeTr3+(aq)K°TrLogK°Tr=24Dansleplasmasanguin,enmoyenne,laconcentrationtotaleentransferrine(libreoucomplexée)estde3,3.10-5mol.L-1.D'aprèslavaleurdelaconstanteK°Tr,trèsélevée,onremarquequelaréactionentrelesionsduferetlatransferrineesttotale.5) Proposeruntableaud'avancement.Quecontientleplasmafinalementsil'ontientcompteducaractèretotaldelaréaction?6) EnutilisantK°Tr,calculerlaconcentrationdesionsFe3+quirestentlibres(noncomplexés)àl'équilibre.7) Danscesconditions,l'hydroxydedefer(III)seforme-t-ildanslesang?

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