TP Chimie N° 04

Avancement final

d'une réaction.

Correction.

 

   

Recherche GoogleMoteur de recherche sur les différents sites

 

 

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

 

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)  +   Ca 2+ (aq)   + (CO2 , H2 O)

II- Étude expérimentale.

1)- Mode opératoire.

Schéma de l’expérience :

 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

 

 

 

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 :     (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 :     (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 :

-     (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 :

-     (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.

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

 

-  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 x 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 ?

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

-  La quantité de matière n (CO2)  est proportionnelle à n (CaCO3)  tant que n2n (CaCO3) < 1,5 x 10 – 2 mol.

-  n (CO2)  = n2 = n (CaCO3

-  Pour  n2 = n (CaCO3)1,5 x 10 – 2 mol, alors :  n (CO2= 1,5 x 10 – 2 mol.

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

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

-    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))

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

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

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 x max1  = 0   =>  x max1  = n1 / =>   x max1  = 1,5 x 10 – 3  mol

-  Hypothèse 2 :

On suppose que le réactif limitant est le carbonate de calcium :

-  Dans ce cas : n2 -  x max2  = 0   =>  x max2  = n2  =>   x max2  = 2,0 x 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 =  x max1  < x max2

-  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 x max

n2 - x max

 

2 x max

 x max

x max

0,000

0,005

 

0,030

0,015

0,015

-    Avant la réaction :

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

-    Au cours de la réaction :

 

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

-    En fin de réaction :

 

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

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

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 :

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

 

-    Au cours de la réaction :

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

 

-    En fin de réaction :

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).