Chimie

Transformation d’un système chimique

Qu’appelle-t-on système chimique ?

Description d’un système chimique : État du système

Exercice 1

Dans un tube à essai, on introduit de la limaille de fer et quelques millilitres d’une solution de chlorure d’étain (II), $(\ce{Sn^{2+} (aq) + 2 Cl^- (aq)})$. Après avoir attendu un certain temps, on ajoute quelques millilitres d’une solution d’hydroxyde de sodium (soude) ; il apparait alors un précipité vert d’hydroxyde de fer (II) $\ce{Fe(OH)2 (s)}$.

Les couples qui interviennent dans cette expérience sont : $\ce{Fe^{2+}/Fe (s)}$ et $\ce{Sn^{2+}/Sn (s)}$.

Données : tests de reconnaissance des ions métalliques

Réaction du fer en présence de sulfate de cuivre

Expérience 1

• Introduire de la limaille de fer dans un tube à essais.
• Ajouter une solution bleue de sulfate de cuivre (II), $\left(\ce{Cu^{2+}(aq) + SO4^{2-} (aq)}\right)$.
• Observer.
• Ajouter quelques gouttes d’une solution de soude $\left( \ce{Na+ (aq) + OH- (aq)} \right)$ dans le tube à essais.
• Observer.

Interprétation 1

1. Interpréter les différentes observations.
2. Écrire l’équation de la réaction chimique principale qui se déroule dans le tube à essais.
3. Élément cuivre : écrire l’équation formelle permettant de traduire la transformation de cet élément.
4. Élément fer : écrire l’équation formelle permettant de traduire la transformation de cet élément.
5. Quelle particule a été transférée lors de cette réaction chimique ?

Expérience 2

• Introduire de la tournure de cuivre dans un tube à essais.
• Ajouter une solution de sulfate de fer (II), $\left(\ce{Fe^{2+}(aq) + SO4^{2-} (aq)}\right)$.
• Observer.
• Ajouter quelques gouttes d’une solution de soude $\left( \ce{Na+ (aq) + OH- (aq)} \right)$ dans le tube à essais.
• Observer.

Interprétation 2

1. Que nous apprend cette manipulation ?

Réaction du zinc en présence de sulfate de cuivre

Expérience 3

• Introduire de la poudre de zinc dans un tube à essais.
• Ajouter une solution bleue de sulfate de cuivre (II) $\left(\ce{Cu^{2+}(aq) + SO4^{2-} (aq)}\right)$.
• Observer.
• Ajouter quelques gouttes d’une solution de soude $\left( \ce{Na+ (aq) + OH- (aq)} \right)$ dans le tube à essais.
• Observer.

Interprétation 3

1. Interpréter les différentes observations.
2. Écrire l’équation de la réaction chimique principale qui se déroule dans le tube à essais.
3. Élément cuivre : écrire l’équation formelle permettant de traduire la transformation.
4. Élément Zinc : écrire l’équation formelle permettant de traduire la transformation.
5. Quelle particule a été transférée lors de cette réaction chimique ?

Expérience 4

• Introduire de la tournure de cuivre dans un tube à essais.
• Ajouter une solution de sulfate de zinc (II) $\left(\ce{Zn^{2+}(aq) + SO4^{2-} (aq)}\right)$.
• Observer.
• Ajouter quelques gouttes d’une solution de soude $\left( \ce{Na+ (aq) + OH- (aq)} \right)$ dans le tube à essais.
• Observer.

Interprétation 4

1. Que nous apprend cette manipulation ?

Réaction du fer en présence de diiode

Expérience 5

• Dans un tube à essai, verser environ $\pu{2 mL}$ d’une solution de diiode $\ce{I2 (aq)}$.
• Ajouter environ $\pu{2 mL}$ d’une solution de cyclohexane.
• Boucher, agiter puis laisser décanter.
• Observer.

Interprétation 5

1. Comment interpréter l’évolution des teintes ?

Expérience 6

• Dans un tube à essai, verser environ $\pu{2 mL}$ d’une solution de diiode $\ce{I2 (aq)}$.
• Ajouter une spatule de limaille de fer.
• Boucher, agiter puis laisser décanter.
• Observer.
• Proposer un protocole permettant de vérifier : a) que le diiode $\ce{I2 (aq)}$ a été consommé ; b) qu’il s’est formé des ions fer (II) ou (III).

Interprétation 6

1. Interpréter les différentes observations.
2. Écrire l’équation de la réaction chimique principale qui se déroule dans le tube à essais.
3. Élément fer : écrire l’équation formelle permettant de traduire la transformation.
4. Élément iode : écrire l’équation formelle permettant de traduire la transformation.
5. Quelle particule a été transférée lors de cette réaction chimique ?

Réaction de l’aluminium en présence de diiode

Expérience

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• Déposer de la poudre d’aluminium dans un creuset.
• Sous la hotte aspirante, ajouter du diiode solide pulvérisé.
• Mélanger, puis ajouter quelques gouttes d’eau.
• Observer.
• Proposer un test permettant de déterminer quel ion métallique est apparu dans la solution.

Interprétation

1. Le système chimique est le siège d’une réaction chimique. Écrire l’équation de cette réaction sachant qu’il s’est formé des ions iodures $\ce{I-(aq)}$.

   [Lire]

Réaction d’oxydoréduction

Introduction

À partir de l’interprétation de la manipulation, on peut déterminer que le zinc métallique, $\ce{Zn (s)}$, et les ions cuivre II, $\ce{Cu^{2+}(aq)}$, ont réagi et qu’il s’est formé du cuivre métallique, $\ce{Cu (s)}$, en compagnie d’ions zinc II, $\ce{Zn^{2+} (aq)}$. L’équation de la réaction chimique est donc : $$ \ce{ Zn (s) + Cu^{2+}(aq) –> Zn^{2+} (aq) + Cu (s)} $$

Le protoxyde d’azote est utilisé comme gaz anesthésique en chirurgie. Dans la culture populaire, on emploie souvent l’expression de gaz hilarant. Sa décomposition en phase gazeuse se produit selon le mécanisme réactionnel en deux étapes suivant :

$$\ce{ N2O(g) -> N2(g) + O^{.}(g) }$$ $$\ce{ O^{.}(g) + N2O(g) -> N2(g) + O2(g) }$$

Ici, les concentrations correspondent au rapport entre la quantité de gaz et le volume total de gaz du milieu réactionnel. L’expérience est réalisée avec une concentration initiale en protoxyde d’azote égale à $C_0 = \pu{5,0 mol·L-1}$. La concentration $[\ce{N2}]$ en diazote est relevée toutes les $\pu{0,20 ms}$.

Les précipitations sont naturellement acides en raison du dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère. Par ailleurs, la combustion des matières fossiles (charbon, pétrole et gaz) produit du dioxyde de soufre et des oxydes d’azote qui s’associent à l’humidité de l’air pour libérer de l’acide sulfurique et de l’acide nitrique. Ces acides sont ensuite transportés loin de leur source avant d’être précipités par les pluies, le brouillard, la neige ou sous forme de dépôts secs. Très souvent, les pluies s’écoulant des toits sont recueillies par des gouttières métalliques, constituées de zinc.

Connue depuis plus de deux siècles, l’eau de Javel reste un produit chimique d’utilisation courante, présent dans près de 95 % des foyers français. C’est un désinfectant très efficace contre les contaminations bactériennes et virales, en particulier celle du SIDA. L’eau de Javel est une solution aqueuse contenant du chlorure de sodium, $\ce{Na+ + Cl-}$, de l’hypochlorite de sodium, $\ce{Na+ + ClO-}$, et de la soude $\ce{Na+ + HO-}$. Elle est fabriquée en dissolvant du dichlore gazeux dans une solution de soude selon la réaction : $$\ce{ Cl2(g) + 2 HO-(aq) –> Cl-(aq) + ClO-(aq) + H2O }$$

L’usage des calculatrices n’est pas autorisé. L’épreuve a été conçue pour être traitée sans calculatrice.

L’eau oxygénée ou solution aqueuse de peroxyde d’hydrogène $\ce{H2O2}$ est une espèce oxydante utilisée au laboratoire. Il s’agit aussi d’une espèce chimique utilisée dans la vie courante : décoloration des cheveux, désinfection des verres de contact, désinfection des plaies. Sa décomposition, qui produit un dégagement de dioxygène, est accélérée par certains facteurs comme l’exposition à la lumière, l’ion fer (II), l’ion fer (III), le platine…

La transformation étudiée

Le 2-chloro-2-méthylpropane réagit avec l’eau pour donner naissance à un alcool : le 2-méthylpropan-2-ol. Cette transformation est lente et totale. On peut la modéliser par l’équation : $$ \ce{(CH3)3C–Cl(liq) + 2H2O(liq) –> (CH3)3C–OH(liq) + H3O+(aq) + Cl–(aq)} $$

Données

• Masse molaire : $M(\ce{(CH3)3C-Cl}) = \pu{92,0 g.mol–1}$.
• Masse volumique : $\rho = \pu{0,85 g.mL–1}$.
• La conductivité d’un mélange est donnée par $\sigma = \sum \lambda_i [X_i]$ où $[X_i]$ désigne la concentration des espèces ioniques présentes dans le mélange, exprimée en $\pu{mol.m–3}$.
• Conductivités molaires ioniques : $\lambda (\ce{H3O+})= \pu{349,8e–4 S.m2.mol–1}$ et $\lambda (\ce{Cl-})= \pu{76,3e–4 S.m2.mol–1}$.

Protocole observé

• Dans une fiole jaugée, on introduit $\pu{1,0 mL}$ de 2-chloro-2-méthyl-propane et de l’acétone afin d’obtenir un volume de $\pu{25,0 mL}$ d’une solution $S$.
• Dans un bécher, on place $\pu{200,0 mL}$ d’eau distillée dans laquelle est immergée la sonde d’un conductimètre. Puis, à l’instant $t = \pu{0 min}$, on déclenche un chronomètre en versant $\pu{5,0 mL}$ de la solution $S$ dans le bécher.
• Un agitateur magnétique permet d’homogénéiser la solution obtenue, on relève la valeur de la conductivité du mélange au cours du temps.

1. Montrer que la quantité initiale de 2-chloro-2-méthylpropane introduite dans le dernier mélange est $n_0 = \pu{1,8e–3 mol}$.

   [Lire]

Rappels : électronégativité d’un atome et polarisation d’une liaison