Chim. N° 01

Grandeurs physiques

et quantités de matière :

Exercices. Correction.

 

   

Programme 2011 :

Programme 2011 : Physique et Chimie

 

Exercice 3 page 22

Exercice 2 page 38

Exercice 7 page 23

Exercice 8 page 39

Exercice 8 page 23

Exercice 12 page 39

Exercice 21 page 41

Pour aller plus loin : 

Mots clés :

la mesure en chimie ; quantité de matière d'un solide ; quantité de matière d'un liquide ; quantité de matière d'un gaz ; densité ; masse volumique ; titre massique ; concentration molaire volumique ; masse molaire ; soluté ; solvant ; ...

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I -Exercice 3 page 22 .

Utiliser le résultat de mesures

Ionogramme plasmatique

 

Mesures

Valeurs limites

Sodium

3,24 g / L

(3,10 ; 3,34)

Potassium

0,12 g / L

(0,14 ; 0,22)

1.  En examinant les résultats de son analyse de sang, préciser si les teneurs en ions sodium et potassium de ce patient sont suffisantes.

2.  Pour compenser le déficit observé, le médecin prescrit un médicament. Sur la notice on peut lire : chlorure de potassium 600 mg par comprimé soit 314 mg de potassium.

Le patient peut également manger des aliments riches en potassium tel que la banane : 

100 g de banane contiennent 385 mg de potassium.

Quelle masse de banane doit-il consommer pour absorber l'équivalent d'un comprimé ?

On suppose que tout le potassium présent dans la banane est assimilé par l'organisme.

 

 

Correction :

1. Pour les analyses, on donne le titre massique en ion sodium et en ion potassium.

La teneur en ions sodium est correcte. 

Elle se situe dans l'intervalle toléré : 

t (Na + ) = 3,34 g / L, en conséquence :  3,10 g / L  <  t ( Na + )  < 3,34g / L.

La teneur en ion potassium est insuffisante.

La teneur est inférieure à la valeur limite inférieure :

t (K + ) = 0,12 g / L dans le cas présent t ( K + ) < 0,12 g / L  < 0,22 g / L

 

2. Masse de banane à consommer : 

Tableau 

Masse de banane 

100 g

 m

Teneur en potassium 

385 mg

314 mg

Unité :

 

 

 

 

II -Exercice 7 page 23

Dureté de l’eau :

La dureté d’une eau est donnée par sa concentration totale C en ions calcium Ca2+ et magnésium Mg2+ exprimée en mmol / L.

Cette dureté se définit également par le degré hydrométrique français exprimé en ° TH, tel que

1 ° TH = 10 C

Grâce à des bandelettes tests, on mesure la valeur de la dureté de l’eau d’Évian.

On constate qu’elle est comprise entre 2,5 et 3,0 mmol / L.

 

L’eau Minérale Naturelle d’Évian, SOURCE CACHAT, est embouteillée dans le canton d’EVIAN.

S.A.EVIAN BP 87.74503

Sa minéralisation constante et équilibrée présente les caractéristiques suivantes (en mg / L)

Calcium

Magnésium

Sodium

Potassium

 

78

24

5

1

Bicarbonates

Sulfates

Chlorures

Nitrates

357

10

4,5

3,8

Silice

13,5

Résidu sec à 180 ° C : 309 ml / L – pH = 7,2

1. Lire, sur l’étiquette de la bouteille, les valeurs des concentrations massiques t (Ca2+ ) et t (Mg2+ ). Calculer la concentration totale C. Le résultat du calcul est-il en accord avec la mesure ?

2. Calculer le degré hydrométrique de l’eau.

 

 

 

 

Correction : 

1.  Titres massiques en ions calcium et en ions magnésium :

t (Ca 2+ ) = 78 mg / L    et t (Mg 2+ ) = 24 mg / L 

Concentration en ions calcium :

Il faut utiliser la relation liant le titre massique tm d'une solution à sa concentration volumique C :

Masse molaire du calcium :

M (Ca 2+) ≈ M (Ca) = 40,1 g / mol

Concentration en ions magnésium :

Masse molaire du magnésium :

M (Mg 2+ )  M (Mg) = 24,3 g / mol

Concentration totale :

C = [ Ca 2+ ] + [ Mg 2+ ]

C ≈  2,9 mmol / L

 

Le résultat est en accord avec la mesure :

2,5 mmol / L  ≤  C  ≤  3,0 mmol / L

2.  Degré hydrotimétrique de l'eau :

29 °

10 C ≈ 29 mmol / L

 

 

 

III -Exercice 8 page 23.

Pollution de l’air :

La pollution de l’air est due à la présence dans l’atmosphère, en faible quantité, de particules solides en suspension et de gaz tels que CO2, NO2, SO2, NO, O3. Ces différents polluants, responsables des pluies acides, de l’effet de serre, des smogs photochimiques, ont des effets néfastes sur la santé.

1. Rechercher le nom des gaz cités dans le texte. Comment expliquer leur présence dans l’air ?

2. Qu’appelle-t-on pluies acides et effet de serre ? Quelle est l’origine du mot smog ?

3. Lors d’une analyse de l’air, on obtient les teneurs suivantes en μg   m3

NO2 : 60      ;      SO2 : 110     ;       O3 : 50

-  Exprimer ces valeurs en parties par million : p.p.m.

-  Par définition : le nombre de p.p.m représente ici la valeur en mg de la masse de substance contenue dans un million de mg de produit.

-  Donnée : 1 m3 d’air a une masse de 1,3 kg

On peut faire une recherche sur internet avec les mots clés ; pluies acides, effet de serre,...

Google

 

 

 

 

Correction :

1. Nom des gaz cités : 

CO2 : dioxyde de carbone

Sa présence est due aux combustions des hydrocarbures, des composés organiques issus du pétrole, du bois....

NO2 : dioxyde d'azote

Lorsque l'on fait brûler une substance contenant des atomes d'azote (N) dans du dioxygène (O2), on obtient un produit de combustion qui contient des atomes d'azote (N) et d'oxygène (O) qu'on appelle le dioxyde d'azote (NO2).

SO2 : dioxyde de soufre

Près de 69 % des émissions SO2 en 2000 provenaient des fonderies et des usines fournissant l’énergie nécessaire aux services publics, notamment les centrales électriques.

Parmi les autres sources de SO2, on compte les complexes métallurgiques, les raffineries de pétrole et les usines de pâtes et papiers.

À celles-ci, il faut ajouter quelques sources de moindre importance liées au chauffage de logements et de bâtiments commerciaux et industriels.

NO : monoxyde d'azote

Le monoxyde d'azote (NO) et le dioxyde d'azote (NO2) sont émis lors des phénomènes de combustion.

Le dioxyde d'azote est un polluant secondaire issu de l'oxydation du NO.

Les sources principales sont les véhicules (près de 60%) et les installations de combustion (centrales thermiques, chauffages...).

O: trioxygène (ozone)

Les oxydes d'azote NO et NO2 résultent de la combinaison de l'oxygène et de l'azote, éléments très répandus dans la troposphère ; les réactions qui conduisent à ces oxydes d'azote sont d'origine naturelle (orages, incendies de forêts...) ou induites par les activités humaines (combustion des hydrocarbures, pour le transport ou le chauffage...) 

La photodissociation du dioxyde d'azote à des longueurs d'onde comprises entre 280 et 430 nm constitue une source possible d'ozone : 

NO2  → NO + O 

(en présence de rayonnement solaire de courte longueur d'onde), puis

 O  +  O2  → O3 

(en présence d'autres oxydants, sinon, NO2 se reforme : 

NO + O3 → NO2 + O2)

 

2. Pluies acides, effet de serre et smog.

Pluies acides :

Les deux principaux polluants acides des pluies sont l'acide nitrique HNO3 et l'acide sulfurique H2SO4. Or les rejets directs de ces deux substances dans l'atmosphère sont très faibles et ne peuvent en aucun cas justifier les ordres de grandeur des acidités citées ci-dessus.
Les précurseurs de l'acide nitrique sont le monoxyde et le dioxyde d'azote qui se forment, à haute température, à partir du dioxygène et du diazote atmosphériques, en particulier dans les moteurs de nos véhicules et dans certains réacteurs industriels.
Certaines industries utilisent un combustible riche en soufre et produisent donc une grande quantité de dioxyde de soufre qui se transforme en acide sulfurique.
Dans les deux cas, c'est un enchainement de réactions radicalaires initiées par le rayonnement solaire qui conduit du précurseur au polluant final.

Effet de serre :

L'effet de serre est, à l'origine, un phénomène naturel.

Il permet à la température de la basse atmosphère de se maintenir autour de 15ºC en moyenne et conditionne le foisonnement de différentes formes de vie sur la Terre.

Sans lui, la température moyenne de la surface de la Terre avoisinerait -18ºC interdisant toute forme de vie. 

Le phénomène d'effet de serre est lié à la présence dans l'atmosphère de certains gaz qui piègent le rayonnement émis par la Terre (infrarouge).

Une partie de ce rayonnement est réémise en direction du sol, contribuant ainsi au réchauffement des basses couches de l'atmosphère.

Le diazote et le dioxygène sont quasiment transparents au rayonnement infrarouge.

Ils ne sont pas impliqués dans l'effet de serre.

La vapeur d'eau, le dioxyde de carbone, le méthane, les chlorofluorocarbures (CFC), l'ozone…, contribuent directement à l'effet de serre.

L'influence de ces gaz est variable selon leur concentration dans l'atmosphère et leur structure moléculaire.

Origine du mot smog : contraction de smoke et fog

 

3. Valeurs en ppm.

 

NO2

SO2

O3

Teneur 

en 

μg / m3

60

110

50

 

Définition : 

Le nombre de p.p.m représente la valeur en mg de la masse de substance contenue dans un million de mg du produit.

 

 

IV - Exercice 2 page 38.

Déterminer un volume, une masse ou une quantité de matière :

Recopier et compléter le tableau suivant :

Liquide

Acide éthanoïque

Benzaldéhyde

Alcool benzylique

 

C2H4O2

C7H6O

C7H8O

Masse molaire 

(g / mol)

 

 

 

Masse volumique

 μ

(g / mL)

1,05

1,05

1,04

Volume V (mL)

 

12

 

Masse m (g)

 

 

15,0

Quantité de matière 

n (mol)

0,100

 

 

 

 

 

Correction : (bleue)

Liquide

Acide éthanoïque

Benzaldéhyde

Alcool benzylique

 

C2H4O2

C7H6O

C7H8O

Masse molaire

(g / mol)

60

106

108

Masse volumique  

μ

(g / mL)

1,05

1,05

1,04

Volume 

V (mL)

5,71

12

14,4

Masse 

m (g)

6,00

12,6

15,0

Quantité de matière 

n (mol)

0,100

0,12

0,139

 

 

V -Exercice 8 page 39.

Déterminer des concentrations molaires.

Une boisson énergétique pour les sportifs, particulièrement adaptée aux efforts d’endurance, est obtenue en dissolvant 790 g de poudre dans de l’eau pour obtenir 5,0 L de solution.

Sur l’étiquette on lit : 100 g de poudre contiennent, entre autres, 47,5 mg de vitamine C et 0,95 mg de vitamine B1.

1. Calculer les masses molaires moléculaires des vitamines C (C6H8O6) et B1 (C12H17ON4SCl).

2. Déterminer les quantités de matière de vitamines C et B1 présentes dans 100 g puis dans 790 g de poudre.

3. Déterminer les concentrations molaires de ces vitamines dans la boisson préparée.

4. Au cours d’une compétition, un athlète boit 2,4 L de cette boisson. Calculer les masses de vitamines C et B1 absorbées.

 

 

 

 

Correction :

1. Masses molaires :

Masse molaire de la vitamine C :

M (C) = M (C6H8O6) = 6 M (C) + 8 M (H) + 6 M (O)

M (C) = M (C6H8O6) = 176 g / mol

Masse molaire de la vitamine B1 :

M (B1) = M (C12H17ON4SCl)

M (B1) = 12 M (C) + 17 M (H) +  M (O) + 4 M (N) + M (S) + M (Cl)

M (B1) = M (C12H17ON4SCl) = 300,6 g / mol

 

 

2. Quantités

de matière : 

 

Dans 100 g

de poudre

Quantité de matière de vitamine C

Quantité de matière de vitamine B1

Dans 790 g

de poudre

Quantité de matière de vitamine C

n (C) =7,9 x 2,70 x 10−1

n (C) ≈ 2,13 mmol

Quantité de matière de vitamine B1

n (B1) =7,9 x 3,2 x 10−3

n (B1) ≈ 0,025 mmol

 

VI - Exercice 12 page 39.

Solution d’éthanol

Une Solution aqueuse S1 d’éthanol à 95 % en volume contient 95 mL d’éthanol de formule C2 H6 O dans un volume de 100 mL de solution. La densité de l’éthanol pur est d = 0,79. Le pictogramme ci-contre figure sur le flacon.

1.  Calculer la masse d’éthanol dans 100 mL de solution S1.

2.  Quelle est la concentration molaire C1 de l’éthanol dans cette solution.

3.  On souhaite préparer, à partir de cette solution, un volume V2 = 100,0 mL de solution S2 à 70 %

a)-     Calculer le volume V1 solution S1 à prélever.

b)-    Décrire le mode opératoire de cette préparation en précisant les règles de sécurité à suivre.

Donnée : masse volumique de l’eau : μ0 = 1000 g / L

 

 

 

 

Correction :

1. Masse m1 d'éthanol contenu dans 100 mL de solution S1.

Attention, il faut exprimer le volume en litre L :

m1 = μ . V = d . μ 0 . V

m1 = 0,79 x 1000 x 95 x 10 − 3

m1 ≈ 75 g

2. Concentration molaire C1 en d'éthanol de la solution S1.

3. Préparation de la solution S2.

Une solution à 70 % d'éthanol,

contient 70 mL d'éthanol pour 100 mL de solution.

 

a. Volume  V1 de la solution S1 prélevé.

On effectue une dilution. 

Le mieux dans un premier temps est de calculer la

 valeur de la concentration C2 de la solution S2

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

Au cours de la dilution, il y a conservation de la

quantité de matière de soluté.

   b. Mode opératoire :

Solutions

Matériel

Solution S1

eau distillée

Bécher de 200 mL

Éprouvette graduée

de 100 mL

Fiole jaugée

de 100 mL

   

VII - Exercice 21 page 41.

Déboucher des canalisations. (5 pts)

Les liquides utilisés pour déboucher les canalisations, sont des solutions concentrées d’hydroxyde de sodium ou soude.

Ce sont des liquides très corrosifs.

Pour éviter les accidents domestiques dus à la confusion de ces liquides avec des boissons, on y ajoute de l’ammoniac, NH3, d’odeur très désagréable.

Le fabricant d’un tel liquide indique :

-  La densité par rapport à l’eau : d = 1,2

-  Le pourcentage massique de soude : P = 20 %

-  La concentration en ammoniac C’ = 8,5 mmol / L.

1. Donner la définition de la densité d’un solide ou d’un liquide par rapport à l’eau. (0,25 pt)

2. Calculer la masse volumique du liquide déboucheur de canalisation. (0,25 pt)

3. établir la relation entre le titre massique de la soude et la masse volumique de la solution. (1 pt)

4. Déterminer la concentration molaire C de la soude apportée dans cette solution. (1 pt)

5. Quel est le volume de gaz ammoniac dissous dans 100 mL de solution, dans les conditions où le volume molaire vaut 24,0 L / mol.

6. Cette solution est diluée 50 fois.

a)- Décrire le mode opératoire permettant d’obtenir 250 mL de solution diluée. (1 pt)

b)- Quelles sont les concentrations molaires de la soude et de l’ammoniac dans la solution diluée ? (0,5 pt)

Données : masses molaires atomiques en g / mol

Na : 23,0     ;     O : 16,00     ;     H  : 1,00

Masse volumique de l’eau : μ0 = 1,00 g / mL

 

 

 

 

Correction :

1. Densité d'un liquide ou d'un solide par rapport à l'eau :

-  La densité d’un liquide par rapport à l’eau est égale au rapport entre la masse d’un volume V du liquide et la masse d’un même volume d’eau.

-  

-  Relation : on écrit :

 (3)

  La densité est un nombre qui s’exprime sans unité.

2. Masse volumique du liquide déboucheur :

3. Relation entre le titre massique et la masse volumique de la solution :

Le soluté est l'hydroxyde de sodium qui est un solide ionique blanc.

On note m' la masse d'un volume V de solution

La masse m d'hydroxyde de sodium présent dans ce volume V est : 

 

4. Concentration molaire de la soude apportée dans cette solution :

On note m' la masse d'un volume V de solution de soude.

La masse d'hydroxyde de sodium présente dans ce volume V de solution :

La quantité de matière correspondante est donnée par la relation suivante : 

On en déduit l'expression de la concentration en hydroxyde de sodium de la solution :

Étude de l'expression : 

Le pourcentage massique P est un nombre qui n'a pas d'unité de même que la densité d de la solution.

La masse molaire M (NaOH) s'exprime en g/ mol.

Pour obtenir la concentration C en mol / L,

il faut exprimer la masse volumique de l'eau en g / L.

On obtient l'expression suivante : 

Application numérique : 

5. Volume d'ammoniac dissout dans V = 100 mL de solution :

6. Dilution :

    a. Mode opératoire :

Calcul préliminaire :

 

Au cours de la dilution, il y a conservation

de la quantité de matière de soluté :

Solutions

Matériel

Solution Mère

Eau distillée

Bécher de 100 mL

pipette jaugée de 5 mL munie de sa propipette

Fiole jaugée de 250 mL

   b. Concentration de la solution diluée

Concentration de la solution diluée de soude :

              

Concentration de la solution diluée en ammoniac :