Terminale Spé PC

Le langage de la thermodynamique

Système

• On désigne ainsi l’objet d’étude ; il s’agit en général d’un système matériel, une « portion d’Univers ».
  Le système est défini par séparation avec le reste de l’Univers appelé le milieu extérieur.

• Un système thermodynamique est plus riche qu’un système mécanique ; il ne peut généralement pas être uniquement décrit, après modélisation, par un simple ensemble de paramètres géométriques : positions, vitesses, orientations, … des constituants. Sa description nécessite l’introduction d’autres grandeurs fondamentales ; l’une d’elles est la température.

Transformations forcées

Changer le sens d’évolution d’une transformation

Lors de cette séance, on va montrer que la circulation d’un courant électrique, imposée par un générateur de tension continue, peut forcer le système chimique à évoluer dans le sens opposé au sens spontané d’évolution.

Électrolyse d’une solution de chlorure d’étain

Manipulation

• Introduire dans le tube à essais en $U$ une solution de chlorure d’étain (II), $\ce{Sn^{2+} (aq) + 2 Cl^- (aq)}$ à $\pu{1 mol.L-1}$, acidifiée à l’acide chlorhydrique.
• Relier deux électrodes de graphite aux bornes d’un générateur de tension continue.
• Ajouter une goutte d’indigo du côté de l’électrode connectée à la borne positive du générateur.
• Allumer le générateur de tension et augmenter progressivement la valeur de la tension électrique à ses bornes.
• Noter la valeur de la tension à partir de laquelle on observe des modifications au niveau des électrodes.
• Régler ensuite la tension électrique à $\pu{4,5 V}$. Laisser l’électrolyse se dérouler pendant quelques minutes et observer.

Observations

• Il se forme de l’étain au niveau de l’électrode connectée à la borne négative du générateur ;
• Il se forme du dichlore au niveau de l’électrode connectée à la borne positive du générateur.

Exploitation

1. Schématiser le montage.

2. Rappeler ce qu’est le courant électrique.

3. Indiquer sur le schéma du montage le sens de circulation du courant électrique, imposé par le générateur, et celui des électrons.

4. Donner les définitions de l’anode et de la cathode.

5. Repérer sur le schéma du montage les positions de l’anode et de la cathode.

6. Le dichlore $\ce{Cl2 (aq)}$ oxyde spontanément le métal étain, ce qui produit des ions étain (II) $\ce{Sn^{2+} (aq)}$ et chlorure $\ce{Cl- (aq)}$.
   Écrire l’équation de la réaction correspondante avec des nombres stœchiométriques entiers et les plus petits possibles.
   La constante d’équilibre $K$ de la réaction a pour valeur : $\pu{7e50}$.

7. La solution de chlorure d’étain (II) utilisée (et donc stockée dans des flacons au laboratoire) évolue-t-elle spontanément pour donner du dichlore et de l’étain ?

8. Faire l’inventaire des espèces chimiques présentes dans la solution et écrire les équations des demi-réactions susceptibles de se produire au niveau des électrodes.

9. À partir des observations, choisir celles qui semblent se dérouler réellement.

10. Écrire l’équation de la réaction dans le sens de la transformation chimique. La comparer à celle donnée à la question 6 et conclure.

Exercice n°36 : Synthol

Exercice n°37 : Vitamine C

De nombreux phénomènes biologiques ne peuvent se produire que dans des milieux de pH bien déterminé. Ainsi dans l’organisme humain, certaines fonctions ne sont correctement assurées que pour des valeurs bien précises du pH.

Documents

pH du sang

Le pH du sang humain est voisin de 7,4. Il varie très peu : le sang constitue une solution tampon.
Certains couples acide/base jouent un rôle essentiel dans la régulation du pH du sang. Ils sont appelés systèmes tampons. On distingue ainsi :

L’objectif de ce travail est la détermination de l’avancement final d’une transformation non totale à l’aide d’un langage de programmation.

Documents

L’acide benzoïque, de formule chimique $\ce{C6H5COOH}$ est un acide carboxylique aromatique dérivé du benzène. Il est utilisé comme conservateur alimentaire et est naturellement présent dans certaines plantes. C’est par exemple l’un des principaux constituants de la gomme benjoin, utilisée dans des encens dans les églises de Russie et d’autres communautés orthodoxes. Bien qu’étant un acide faible, l’acide benzoïque n’est que peu soluble dans l’eau du fait de la présence du cycle benzénique apolaire.
On trouve de l’acide benzoïque dans les plantes alimentaires :

L’objectif de ce document est de tracer les diagrammes de prédominance de quelques couples acide/base.

Cas d’un monoacide (ou d’une monobase)

Données

• $\text{pK}_a(\ce{NH4^+/NH3}) = \pu{9,24}$ ;

• $\text{pK}_a(\ce{CH3CO2H/CH3CO2^-}) = \pu{4,70}$.

On introduit un acide faible à la concentration $C$ dans une solution dont on peut faire varier le pH.

1. Rappeler l’expression de la constante d’acidité $K_a$ d’un couple $\ce{AH/A-}$.

2. À l’aide d’un tableau d’avancement, déterminer la relation qui existe, quel que soit l’avancement de la transformation, entre les grandeurs $C$, $[\ce{AH}]$ et $[\ce{A-}]$.

3. En déduire une expression de $[\ce{AH}]$ qui ne fait intervenir que les grandeurs $C$, $\text{pH}$ et $\text{pK}_a$.

4. En déduire l’expression de %(AH), pourcentage de l’espèce chimique AH dans la solution.

5. Reprendre les questions 3. et 4. pour l’entité $\ce{A-}$.

6. Compléter le code Python à cette adresse de façon à ce que le diagramme de prédominance de l’acide éthanoïque soit tracé.
   Enregistrer l’image générée.

7. Tracer maintenant le diagramme de prédominance de l’ion ammonium.

8. Modifier le programme de façon à ce qu’il affiche à la fois le diagramme de prédominance de l’acide éthanoïque et celui de l’ion ammonium.

L’objectif de cet exercice est l’étude de la pile cuivre – argent, réalisé à l’aide de solutions de nitrate d’argent $(\ce{Ag+ (aq) + NO3^- (aq)})$ et de sulfate de cuivre $(\ce{Cu^{2+} (aq) + SO4^{2-} (aq)})$.

Données

• Faraday : $1 {\cal F} = \pu{96,5e3 C.mol-1}$ ;

• Masses molaires : $M(\ce{Cu}) = \pu{63,5 g.mol-1}$ ; $M(\ce{Ag}) = \pu{108,0 g.mol-1}$ ;

• $C^o = \pu{1,0 mol.L-1}$.

Étude descriptive de la pile

Afin de déterminer expérimentalement le pôle positif de la pile, on branche en série une résistance $R$ et un ampèremètre.

On réalise une pile formée à partir des couples $\ce{Ni^{2+}/Ni}$ et $\ce{Zn^{2+}/Zn}$.

Chaque solution a pour volume $V = \pu{100 mL}$ et la concentration initiale des ions positifs est $C = \pu{5,0e-2 mol.L-1}$.

Pour la réaction d’équation : $$ \ce{ Ni^{2+} (aq) + Zn (s) <=> Ni (s) + Zn^{2+} (aq) } $$ la constante d’équilibre vaut : $K = 10^{18}$.

Données

• $M (\ce{Zn}) = \pu{65,4 g.mol-1}$ ; $M(\ce{Ni}) = \pu{58,7 g.mol-1}$.

• Valeur absolue de la charge d’une mole d’électrons : $1 \mathcal{F}= \pu{96 500 C.mol-1}$.

Dans un précédent chapitre les acides et les bases ont été introduits. Il a été montré que leur réaction avec l’eau pouvait conduire à des transformations limitées ou totales. L’évolution du pH lors d’un titrage acide-base a aussi été montrée.
Dans ce chapitre, on introduit les outils qui permettent de comparer entre eux les acides (ou les bases), ou qui permettent d’effectuer le bilan quantitatif des entités présentes en solution.