Réalisation d'une pile électrochimique

 Publié le January 18, 2021  |  14 minutes  |  2775 mots  |  

Transfert spontané direct d’électrons

Manipulations

  • Dans deux tubes à essais, notés 1 et 2, verser quelques mL de solution aqueuse décimolaire de sulfate de cuivre (II) ;
  • Dans le tube n°2, ajouter une pointe de spatule de poudre de zinc ;
  • Boucher le tube à essais et agiter. Laisser décanter ;
  • Filtrer le contenu du tube n°2 et noter la teinte de la limaille de zinc ;
  • Comparer la teinte du tube n°1 (tube témoin) et du filtrat ;
  • Ajouter dans les deux tubes quelques gouttes de soude (solution d’hydroxyde de sodium molaire) ;
  • Observer.
Observations
  • La limaille de zinc se recouvre d’un dépôt rouge.
  • La solution du tube n°2 est beaucoup moins colorée que celle du tube n°1 (qui est toujours bleu). Elle est pratiquement incolore.
  • L’ajout de la solution de soude dans le tube n°2 provoque la formation d’un précipité blanc.
  • L’ajout de la solution de soude dans le tube n°1 provoque la formation d’un précipité bleu.
  • Dans deux tubes à essais, notés 3 et 4, verser quelques mL de solution aqueuse décimolaire de sulfate de zinc (II) ;
  • Dans le tube n°4, ajouter une pointe de spatule de tournure de cuivre ;
  • Boucher le tube à essais et agiter. Laisser décanter ;
  • Filtrer le contenu du tube n°4 et noter la teinte de la tournure ;
  • Comparer la teinte du tube n°3 (tube témoin) et du filtrat ;
  • Ajouter dans les deux tubes quelques gouttes de soude (solution d’hydroxyde de sodium molaire) ;
  • Observer.
Observations
  • Aucun dépôt n’apparaît à la surface du cuivre.
  • Aucune des solutions ne voit sa coloration être modifiée.
  • L’ajout de la solution de soude dans chaque tube provoque la formation d’un précipité blanc.

Exploitation

  • Les ions cuivre $\ce{Cu^{2+} (aq)}$ forment avec les ions hydroxyde $\ce{OH- (aq)}$ un précipité bleu d’hydroxyde de cuivre (II) $\ce{Cu(OH)2 (s)}$.
  • Les ions zinc $\ce{Zn^{2+} (aq)}$ forment avec les ions hydroxyde $\ce{OH- (aq)}$ un précipité blanc d’hydroxyde de zinc (II) $\ce{Zn(OH)2 (s)}$.
  • La constante d’équilibre associée à la réaction entre les ions cuivre et le métal zinc a pour valeur : $K = \pu{1,9e37}$.
  1. À quoi servent les tubes à essais n° 1 et 3 ?
Réponse

Ce sont des témoins. Ils permettent par exemple de se souvenir de la coloration initiale de la solution avant l’introduction du second réactif.

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Pile  Pont salin  Oxydoréduction  Transfert direct d'électrons  Transfert indirect d'électrons  Capacité d'une pile  Anode  Cathode  Pont salin 

Les différentes raisons pour lesquelles un système chimique n'évolue pas

 Publié le January 15, 2021  |  3 minutes  |  589 mots  |  

Lors de sa constitution, un système chimique peut évoluer ou rester dans l’état initial. L’objectif de ce document est de comprendre que l’absence d’évolution peut correspondre à des situations très diverses.

Documents

Des évolutions trop limitées

Certaines des réactions chimiques que l’on peut envisager pour un système ne peuvent pas être observées, car leur constante d’équilibre est bien trop petite.

  • La réaction entre les ions zinc (II) et le cuivre dont l’équation s’écrit : $$\ce{ Cu (s) + Zn^{2+} (aq) <=> Cu^{2+} (aq) + Zn(s) }$$ Sa constante d’équilibre $K$ vaut $5.10^{-38}$ à 25 C.

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Quotient de réaction  Constante d'équilibre  Taux d'avancement final  Cinétique chimique  Blocage cinétique 

Une transformation chimique n'est pas toujours totale

 Publié le January 9, 2021  |  5 minutes  |  1039 mots  |  

Objectifs

  • Mesurer le pH de différentes solutions.
  • Effectuer des dilutions.
  • Déterminer si des transformations chimiques sont totales ou limitées.

Documents

Concentration molaire apportée en soluté

La concentration molaire apportée en soluté est la quantité de matière de soluté dissoute par unité de volume de solution. Elle est notée $C$ et s’exprime généralement en $\pu{mol.L-1}$. $$ C = \dfrac{n \left( \text{soluté dissous} \right)}{V \left( \text{solution}\right)} $$

Concentration molaire effective en espèces dissoutes

Pour chaque espèce chimique $X$ dissoute en solution, la concentration molaire effective en espèce dissoute est la quantité de matière de cette espèce effectivement en solution par unité de volume. Elle est notée $[X]$ et s’exprime généralement en $\pu{mol.L-1}$. $$ [X] = \dfrac{n \left( X \text{ effectivement en solution} \right)}{V \left(\text{solution} \right)} $$

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Tableau d'avancement  Transformation totale  Transformation limitée  Avancement 

Recherche d'un réactif limitant à l'aide d'un programme écrit en Python

 Publié le January 9, 2021  |  2 minutes  |  344 mots  |  

On réalise l’oxydation des ions fer II $\ce{Fe^{2+} (aq)}$ par des ions permanganate $\ce{MnO4^- (aq)}$ en milieu acide.
Les couples oxydant/réducteur mis en jeu sont : $\ce{Fe^{3+}/Fe^{2+}}$ et $\ce{MnO4^-/Mn^{2+}}$.

  1. Montrer que l’équation de la réaction s’écrit : $$ \ce{5 Fe^{2+} (aq) + MnO4^- (aq) + 8 H^+ –> 5 Fe^{3+} (aq) + Mn^{2+} (aq) + 4 H2O } $$

On met en présence $\pu{10 mL}$ d’une solution de permanganate de potassium à la concentration $\pu{0,03 mol.L-1}$ en ion permanganate et $\pu{10 mL}$ d’une solution de sulfate de fer II à la concentration $\pu{0,1 mol.L-1}$ en ion fer II. On acidifie cette solution en ajoutant de l’acide sulfurique. Le volume final de la solution est égal à $\pu{25 mL}$ et son pH vaut $\pu{1,0}$.

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Python  Mélange initial stœchiométrique  Tableau d'avancement  Réactif limitant 

Invariance de la valeur du quotient de réaction dans l'état d'équilibre

 Publié le January 9, 2021  |  3 minutes  |  460 mots  |  

Objectif

Après avoir défini le quotient de réaction, l’objectif est de démontrer que, lorsque la transformation chimique est non totale, ce quotient de réaction prend une valeur unique dans l’état d’équilibre, quel que soit l’état initial de la transformation.

Quotient de réaction associé à une réaction chimique acide-base modélisant une transformation chimique non totale

Le quotient de réaction associé à la réaction $$ \ce{ AH (aq) + H2O <=> A- (aq) + H3O+} $$ a pour expression, dans un état quelconque de la transformation, $$ Q_r = \dfrac{ \left( \dfrac{[\ce{A-}]}{C^o} \right) \cdot \left( \dfrac{[\ce{H3O+}]}{C^o} \right)}{ \left( \dfrac{[\ce{AH}]}{C^o} \right)} $$ où $C^o = \pu{1,00 mol.L-1}$.
Remarque

Le quotient de réaction sera défini plus précisément dans le document Chapitre 10,4.

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Quotient de réaction et constante d'équilibre

 Publié le January 9, 2021  |  7 minutes  |  1299 mots  |  

Quotient de réaction

Introduction

  • Le quotient de réaction $Q_r$ est une grandeur qui caractérise un système chimique dans un état donné.

  • L’évolution de sa valeur au cours de la transformation renseigne sur l’évolution du système chimique étudié.

Le quotient de réaction calculé dans deux états différents du système aura deux valeurs différentes à moins que ces deux états ne soient des états d’équilibre.

Expression de $Q_r$ dans le cas de systèmes chimiques uniquement constitués d’espèces dissoutes

Le quotient de réaction $Q_r$ de la réaction d’équation chimique $$ \ce{ \alpha{} A (aq) + \beta B (aq) <=> \gamma C (aq) + \delta D (aq)} $$ a pour expression, lorsque toutes les espèces sont dissoutes dans la solution $$ Q_r = \dfrac{\left( \dfrac{[{C}]}{C^o} \right)^\gamma \cdot \left( \dfrac{[{D}]}{C^o} \right)^\delta}{\left( \dfrac{[{A}]}{C^o} \right)^\alpha \cdot \left( \dfrac{[{B}]}{C^o} \right)^\beta} $$ avec $C^o = \pu{1,00 mol.L-1}$.
$Q_r$ est une grandeur sans dimension.

Soit l’équation de la réaction d’oxydation des ions thiosulfate $\ce{S2O3^{2-}}$ par le diiode $\ce{I2}$. Il se forme des ions tetrathionate $\ce{S4O6^{2-}}$ et des ions iodure $\ce{I-}$.

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Quotient de réaction  Constante d'équilibre  Taux d'avancement final 

Sens d'évolution spontané d'un système chimique

 Publié le January 7, 2021  |  8 minutes  |  1524 mots  |  

Rappel : quotient de réaction

  • Le quotient de réaction est une grandeur dont la valeur dépend de l’état du système considéré.
  • L’expression du quotient de réaction dépend de l’écriture de l’équation de la réaction.
  • La valeur du quotient de réaction dans l’état d’équilibre est indépendante des conditions initiales choisies pour la transformation. Cette valeur ne dépend que de la température.
  • On appelle constante d’équilibre associée à une réaction chimique la valeur du quotient de réaction dans l’état d’équilibre de la transformation modélisée par la réaction chimique.

Évolution spontanée d’un système chimique

Analyse d’une réaction d’oxydoréduction

On dispose de deux solutions aqueuses. La solution (1) contient des ions fer (II) $\ce{Fe^{2+} (aq)}$ et des ions fer (III) $\ce{Fe^{3+} (aq)}$, en concentrations $[\ce{Fe^{2+}}]=[\ce{Fe^{3+}}] = \pu{0,10 mol.L-1}$.
La solution (2) contient des ions iodure $\ce{I^- (aq)}$ et du diiode $\ce{I2 (aq)}$, en concentrations $[\ce{I^-}] = \pu{1,0 mol.L-1}$ et $[\ce{I2}] = \pu{1,0e-3 mol.L-1}$.

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Quotient de réaction  Constante d'équilibre  Critère d'évolution spontanée 

Équilibre Chimique

 Publié le January 7, 2021  |  10 minutes  |  2081 mots  |  

Étude de quelques transformations chimiques modélisées par des réactions acido-basiques

Action du chlorure d’hydrogène sur l’eau

On introduit $\pu{0,010 mol}$ de chlorure d’hydrogène $\ce{HCl (g)}$ dans $\pu{1,0 L}$ d’eau. On mesure le pH de la solution ainsi formée et on obtient : $\mathrm{pH} = \pu{2,0}$.
On fait l’hypothèse que la transformation de dissolution est totale.

  • La transformation due à la réaction chimique entre le chlorure d’hydrogène solubilisé et l’eau est-elle totale ?
Solution

$$ \ce{HCl (aq) + H2O –> Cl^- (aq) + H3O^+} $$

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Transformation chimique totale  Transformation chimique limitée  Transformation chimique non totale  Taux d'avancement final 

Bilan quantitatif des transformations chimiques

 Publié le January 5, 2021  |  10 minutes  |  2053 mots  |  

Évolution d’un système chimique

Un système évolue chimiquement s’il existe (au moins) une réaction chimique en son sein. Cette réaction chimique nécessite la présence de réactifs — espèces chimiques capables de réagir entre elles — et s’effectue selon les proportions données par les nombres stœchiométriques qui apparaissent dans l’équation de la réaction. Il se forme alors un ou plusieurs produits, dans les proportions données par les nombres stœchiométriques.

Un système chimique évolue tant que les quantités de matière des réactifs (et donc des produits) changent macroscopiquement.
L’évolution d’un système chimique peut conduire à deux situations différentes :

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Tableau d'avancement  Transformation totale  Transformation limitée  Avancement 

Transformations chimiques, exercices de révision

 Publié le January 5, 2021  |  4 minutes  |  659 mots  |  

Arbre de Diane

On plonge de la tournure de cuivre dans une solution de nitrate d’argent contenant des ions argent $\ce{Ag^+ (aq)}$. La solution initialement incolore devient bleue et il se forme un dépôt d’argent $\ce{Ag (s)}$. La température et la pression sont celles du laboratoire.

  1. Décrire le système à l’état initial.
Réponse
  • Cuivre $\ce{Cu}$ solide ;
  • Ions argent $\ce{Ag^+}$ en solution ;
  • Ions nitrate $\ce{NO3^- }$ en solution ;
  • Solvant : $\ce{H2O}$ ;
  • Pression atmosphérique ;
  • Température du laboratoire.
  1. Y a-t-il eu transformation du système initial ? Nommer les deux réactifs et les deux produits de la transformation.
Réponse

Le système a évolué puisque des entités chimiques ont disparu et d’autres sont apparues.

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Tableau d'avancement  Transformation totale  Transformation limitée  Avancement