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Lycée technique Mohamed VCentre des classes préparatoiresBéni MellalM.P.S.I

COURS DE CHIMIE

MPSI

CHIMIE DES SOLUTIONS

EL FILALI SAID

TABLE DES MATIÈRESCHIMIE DES SOLUTIONS-M.P.S.I

Table des matières

1Réactions chimiques3

1.1 Définitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 1.2 L"avancement de la réactionξ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 1.3 Le quotient de la réactionQr. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 1.4 La constante d"équilibreK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 1.5 Critère de l"évolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1.6 Quelques propriétés utiles de la constante d"équilibreK. . . . . . . .5 2

RÉACTIONS ACIDO-BASIQUES7

2.1 Définitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 2.2 Constante d"aciditéKA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 2.3 Domaine de prédominance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 2.4 Aspet quantitatif d"une réaction chimique acide base A/B. . . . . .12 3

RÉACTIONS DE COMPLEXATION14

3.1 Couple donneur/Accepteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 3.2 Nomenclature des complexes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 3.2.1 Nom de quelques ligands usuels. . . . . . . . . . . . . . . . .15 3.2.2 Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 3.3 Constante de formation-constante de dissociation. . . . . . . . . . .15 3.4 Tableau des valeurs deslogβià 25oC. . . . . . . . . . . . . . . . . .17 3.5 Domaine de prédominance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 3.6 Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 3.6.1 Complexation du cuivre II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 3.6.2 Dosage compléxométrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 4

RÉACTIONS DE PRÉCIPITATIONS21

4.1 Couple Donneur/Accepteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 4.2 L"étude quantitative. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 4.2.1 Produit de solubilité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 4.2.2 La solubilité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22 4.2.3 Domaine d"existence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23 4.2.4 Application (Voir TD). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23 4.3 Facteurs de la solubilité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 4.3.1 Influence de la température. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 4.3.2 Influence de l"ion commun. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 4.3.3 Influence du pH de la solution. . . . . . . . . . . . . . . . . .25 4.3.4 Influence de la complexation. . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 4.3.5 stabilité relative d"un précipité. . . . . . . . . . . . . . . . . .30 5

Réactions d"oxydo-réduction32

5.1 Équilibres redox. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 5.1.1 Couples redox. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

5.1.1.1

Définitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

CPGE/Béni Mellal Page -1- -SAID EL FILALI-

TABLE DES MATIÈRESCHIMIE DES SOLUTIONS-M.P.S.I

5.1.1.2Le nombre d"oxydationn.o. . . . . . . . . . . . . . .32

5.1.1.3

Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 5.1.2 Couples redox de l"eau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34 5.2 Piles électrochimiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34 5.2.1 Définitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34 5.2.2 Pile Daniell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35 5.2.3 Potentiel de l"électrode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 5.2.4 Potentiel standard. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 5.2.5 Électrode de Calomel Saturé(E.C.S)(Hg2Cl2/Hg). . . . . . . . .38 5.2.6 Formule de Nerst. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38 5.3 Prévision d"une réaction redox. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

CPGE/Béni Mellal Page -2- -SAID EL FILALI-

CHIMIE DES SOLUTIONS-M.P.S.I

1Réactions chimiques

1.1Définitions

Soit un système ,siège d"une réaction chimique dont l"équationchimique est :

ν1A1+ν2A2+···(1)?

(2)ν?1A?1+ν?2A?2+··· ?(1) dit sens direct et (2) sens indirect. ?Airéactif etA?iproduit . ?νcoefficient stoechiométrique. Remarque: L"équation précédente peut s"écrire sous la forme : N? i=1ν iAi= 0 avec :?νi<0pour les réactifs i>0pour les produits 1.2

L"avancement de la réactionξ

Lorsque le système évolue pendant le tempsdt, la quantité de matière varie. prenons l"exemple suivant :

αA+βB(1)?

(2)γC+δD tonA(to)nB(to)nC(to)nD(to) to+dt nA(to+dt)nB(to+dt)nC(to+dt)nD(to+dt) •Sinr´eactif(to)< nr´eactif(to+dt)??nproduit(to)> nproduit(to+dt) =?sens indirect c"est

à dire sens (2).

•Sinr´eactif(to)> nr´eactif(to+dt)??nproduit(to)< nproduit(to+dt) =?sens direct c"est

à dire sens (1).

•On pose :dn(X) =nX(to+dt)-nX(to)variation élémentaire de la quantité de matière de l"élémentX, qui peut être positive ou négative. •On appelle l"avancement élémentairedξde la réaction la quantité dξ=1νdn(X) (en mol) avecν >0pour les produits etν <0pour les réactifs.

Donc pour la réaction :

αA+βB(1)?

(2)γC+δD

CPGE/Béni Mellal Page -3- -SAID EL FILALI-

1.3Le quotient de la réactionQrCHIMIE DES SOLUTIONS-M.P.S.I

on a : (α,β,γ,δ)?R?4+. Cette quantité est indépendante des constituantsAi; elle caractérise le déroule- ment de la réaction dans le système étudié. L"avancement d"une réactionξest borné entreξminetξmax; en effet :supposons que

Aest un réactif doncξ(A) =-1

α(nA(t)-nA(t= 0))donc :

?ξmin=1α(nA(t= 0)-nA(t→ ∞)) ?ξmax=nA(t= 0)αOn retient queξvérifie :

ξmin?ξ?ξmax

1.3Le quotient de la réactionQr

Soit la réaction chimique :ν1A1+ν2A2+···(1)? (2)ν?1A?1+ν?2A?2+··· On appelle le quotient de la réaction avectoutes les espèces sont en solution diluéela grandeur sans dimensionQrdéfinie par : Qr=? [A?1]Co?

ν?1?[A?2]Co?

ν?2···?[A1]

Co?

ν1?[A2]Co?

ν2···=N

i=1? [A?i] Co?

ν?i

N? i=1? [Ai] Co? νi

Avec :Co= 1mol/?la concentration standard.

On tire que le quotient de la réaction est une grandeur sans dimension qui dépend des concentrations de toutes les espèces en solution ainsi latempérature.

Remarque:

Pour ne pas alourdir l"expression du quotient de la réaction ,onremplace la concen- tration standard par sa valeur sans oublier que le quotient de la réaction est une grandeur sans dimension. 1.4

La constante d"équilibreK

Lorsque le système évolue alors les concentrations varient jusqu"à l"avancement de la réaction atteint sa valeur limiteξ∞et les concentrations restent constantes : on dit que le système est dans un état d"équilibre.

CPGE/Béni Mellal Page -4- -SAID EL FILALI-

1.5Critère de l"évolutionCHIMIE DES SOLUTIONS-M.P.S.I

On pose :

Qr(t→+∞) =Qeq(T) =N

i=1[A?i]ν?ieqN? i=1[Ai]νieq=K(T) C"est la loi d"action de masse dite aussi loi deGuldberg et Waage. K(T): est une grandeur sans unité qui ne dépend que de la température ,appelée constante d"équilibre.

On définit lepKpar

pK=-logK??K= 10-pK

SiKest grand alorspKest petit et vice versa

1.5

Critère de l"évolution

Soit une réaction chimique dont le quotient de la réaction estQret de constante d"équilibreK: ?SiQr=K:le système n"évolue pas ,il est dans son état d"équilibre. ?SiQr>K:le système évolue dans le sens indirect c"est à dire sens (2). ?SiQr•Soit la réaction chimique :

αA+βB(1)?

(2)γC+δD K direct=1

Kindirect

?Si on multiplie cette équation par un réelpalors :Kp= (K)p •Soient deux réactions chimiquesR1etR2chacune est caractérisée par sa constante d"équilibreK1etK2alors : ?K(R1+R2) =K1×K2et?K(R1-R2) =K1 K2•Soitξl"avancement d"une réaction chimique : ?Siξ→ξmaxalors la réaction est dite totale ou quantitative. ?Siξ→ξmin= 0alors le système n"évolue pas : il est dans un état d"équilibre.

Autrement dit :soit la réaction chimique :

A+B(1)?

(2)C+D n(t= 0)100 100 0 0 n(t→ ∞)a a100-a100-a

CPGE/Béni Mellal Page -5- -SAID EL FILALI-

1.6Quelques propriétés utiles de la constante d"équilibreKCHIMIE DES SOLUTIONS-M.P.S.I

Critère 100%: Un réaction est quantitative si 100% des réactifs vont réagir (c"est

à direa=0).

K

100→+∞

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