TP Chimie N° 04, Avancement final d'une réaction. Correction, Première S

TP Chimie N° 04

Avancement final d'une réaction.

Correction.

Énoncé

 

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

 
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Fichier Excel pour l'exploitation

 

I - Principe de l'étude.

II - Etude expérimentale.

1)- Mode opératoire.

2)- Exploitation des mesures.

3)- Utilisation d'un tableau d'avancement.

I- Principe de l’étude.

-  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)

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II- Étude expérimentale.

1)- Mode opératoire.

Schéma de

l’expérience :

Schéma

main 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 = 1,00 L.

-  La température ambiante :  θ = 20 °C .

-  On pèse une masse m2 = 0,20 g

-  On pèse une masse m2 = 0,20 g de calcaire en poudre

-  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

 

 

 

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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 = 1,0 L et à température constante θ = 20 °C .

-  Avant la réaction : P air = nRT / V  (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 : P (CO2) = nRT / V  (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 :

-  relations  (3)

 

- Calculer et noter les différentes valeurs dans le tableau.

- On donne :

- Volume du flacon V = 1,00 L ;

- Température ambiante θ = 20 °C .

 

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 :

- relations   (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.

graphe

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- La quantité de matière n (CO2) est proportionnelle à m1  tant que m1  < 1,5 g .

- n (CO2) = k . m1  avec k = 0,010 mol / g

-  Pour  m1 ≥ 1,5 g , alors :  n (CO2)  = 1,5 × 10– 2 mol.

 

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 ?

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.

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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

graphe

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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))

graphe

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-  Le coeffcient directeur de la droite moyenne a ≈ 1,0

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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 = 2,0 g de calcaire.

- 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 la réaction , les réactifs disparaissent et les produits se forment,

Lorsque l'avancement de la réaction est égal à x mol,

►   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 :

histogramme

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-  Au cours de la réaction :

 

histogramme

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- En fin de réaction :

histogramme 

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Vidéo de l'avancement de la réaction entre l'acide éthanoïque et le carbonate de calcium.

réaction chimique

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

- 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 :

schéma

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-  Au cours de la réaction :

courbes

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-  En fin de réaction :

courbes

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

 

- 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).

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