TP Chimie  N° 04

Détermination expérimentale

 du quotient de réaction. 

Correction

 

   

 

I - Protocole expérimental.
II- Exploitation des résultats.

 

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Programme 2012 :

Programme 2012 : Physique et Chimie

 

Objectifs :  

 Détermination par conductimétrie du quotient de réaction de l’acide formique (méthanoïque) sur l’eau à différentes concentrations.

I- Protocole expérimental.  

1)- Préparation des trois solutions d’acide formique à partir de la solution mère S de concentrations C = 0,10 mol / L.

Préparer 100,0 mL des trois solutions suivantes, à partir de la solution mère :

-          S1 de concentration C 1 = 1,0 x 10 – 2 mol / L.

Première étape :

Verser suffisamment de 

solution Mère dans un bécher

Deuxième étape :

On prélève le volume nécessaire 

de solution Mère à l’aide d’une

 pipette jaugée munie de sa propipette

Troisième étape :

On verse le volume nécessaire de

 solution dans la fiole jaugée de

 volume approprié.

On ne pipette jamais directement dans le flacon qui contient la solution Mère

Quatrième étape :

On ajoute de l’eau distillée et on agite

 mélanger et homogénéiser

Cinquième étape :

On complète avec une pissette

 d’eau distillée jusqu’au trait de

 jauge.

Sixième étape :

on agite pour homogénéiser. 

La solution est prête.

 

-          S2 de concentration C2 = 2,5 x 10 – 2 mol / L.

-          On remplace la pipette jaugée de 10 mL par une fiole jaugée de 25 mL

-          S3 de concentration C3 = 5,0 x 10 – 2 mol / L.

-          On remplace la pipette jaugée de 10 mL par une fiole jaugée de 50 mL

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2)- Mesure de la conductance G de la solution étalon.

Schématiser et effectuer le montage du conductimètre :

 

 

Verser environ 80 mL de la solution étalon S0 d’acide chlorhydrique  de concentration C0 = 1,0 x 10 – 2 mol / L dans un bécher.

-          Régler le G.B.F. sur courant alternatif sinusoïdal, fréquence f = 500 Hz et la valeur de la tension sur  U = 1,00 V.

-          Plonger la cellule conductimétrique dans la solution. Faire les réglages nécessaires et attendre que le système soit stable. Effectuer la mesure.

3)- Mesure de la conductance des trois solutions.

Pour rincer la cellule, la tremper dans un bécher annexe contenant un peu de solution S3.

-          Plonger ensuite la cellule dans un autre bécher contenant la solution S3 et procéder comme pour la solution étalon.

Recommencer ces opérations avec les solutions S2 et S1.

4)- Mesures : présenter les différentes mesures sous forme de tableau.

II- Exploitation des résultats.  

1)- Étude de la solution étalon.

Écrire l’équation de la réaction entre le chlorure d’hydrogène et l’eau.

 

  HCl (g)   +   H2O ()      Cl (aq)   +    H3O +(aq)

 

-          Donner la relation liant la conductance G0, la conductivité de la solution σ0 et les caractéristiques de la cellule.

-          (1)

-          Exprimer σ0 en fonction des conductivités molaires ioniques et des concentrations des ions qu’elle contient.

-          σ1 = λ (H3O +) . [ H3O + ] eq + λ (Cl ) . [ Cl ] eq

-          Sachant que la réaction entre le chlorure d’hydrogène et l’eau est totale, simplifier cette expression. On note :

-          k0 = (λ (H3O +) + λ (Cl ))  =>   k0 42,61 x 10 – 3 S. m 2 .mol – 1  

-          Remplacer σ0 par l’expression trouvée précédemment dans celle de la conductance :

-          La réaction entre le chlorure d’hydrogène et l’eau étant totale :

-          C0 = [ Cl ] = [ H 3 O + ] 

-          σ0 = (λ (H3O +) + λ (Cl )) . [ H 3 O + ] eq  =>    σ0 k0 C0 (2)

-          Montrer que : (a).

-          En combinant (1) et (2), on trouve la relation (a) : 

-         

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2)- Étude de la solution S 1 d’acide formique.

Écrire l’équation de la réaction entre l’acide formique (HCOOH) et l’eau.

HCOOH (aq)     +   H2O ()      =   HCOO (aq)    +   H3O + (aq)   

 

-          Donner la relation liant la conductance G1, la conductivité de la solution σ1 et les caractéristiques de la cellule.

-           (1)

-          Exprimer σ 1 en fonction des conductivités molaires ioniques et des concentrations des ions qu’elle contient.

-          σ1 = λ (H 3 O +) . [ H 3 O + ] eq + λ (HCOO ) . [ HCOO ] eq

-          Simplifier cette expression en exprimant les concentrations en ions oxonium et en ions méthanoate en fonction du  taux d’avancement de la réaction et de la concentration C1 de la solution. 

-          On note : 

-          k 1 = (λ (H3O +) + λ (HCOO -))  =>   k 1 40,44 x 10 – 3 S. m 2 .mol – 1  

  -         

-          Remplacer σ1  par l’expression trouvée précédemment dans celle de la conductance

-          σ1 = (λ (H3O +) + λ (HCOO )) . [ H3O + ] eq  =>    σ 1 k 1 . τ C 1 (2)

-          Montrer que  (b)

-          En combinant (1) et (2), on trouve la relation (b) :  

-         

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3)- Taux d’avancement de la réaction entre l’acide formique et l’eau.

Déterminer l’expression du rapport :

-          Donner la relation permettant de calculer le taux d’avancement τ de la réaction. Montrer que :

-          .

 

-          À partir des relations (a) et (b), on peut écrire :

-         

-          On en déduit l’expression du taux d’avancement : τ

-         

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  4)- Calcul du taux d’avancement de la réaction.

Calculer le taux d’avancement de la réaction entre l’acide formique et l’eau pour les solutions S 1, S 2 et S 3.

-          Présenter les résultats sous forme de tableau. Comparer et conclure.

Solutions

S1

S2

S3

S0

Concentrations  mol / L

 

 

 

 

Conductance G mS

τ

correction

 

 

Solutions

S1

S2

S3

S0

Concentrations mol / L

1,0 x 10 –2

2,5 x 10 –2

5,0 x 10 –2

1,0 x 10 –2

Conductance G mS

1,51

2,38

3,38

13,1

τ %

12,1

7,6

5,4

référence

 

-          Le taux d'avancement  τ de la réaction dépend de la concentration en acide méthanoïque. 

-          Lorsque la concentration de la solution en acide éthanoïque augmente, le taux d'avancement  τ de la réaction diminue.

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5)- Quotient de la réaction entre l’acide formique et l’eau.

Donner l’expression du quotient de réaction.

-          Donner l’expression du quotient de réaction à l’équilibre. 

-          Exprimer Q r,eq en fonction de τ et de la concentration de l’acide. Montrer que :

-         pour la solution S1.

-          Calculer Q r,eq pour les solutions S1, S2 et S3. Présenter les résultats sous forme de tableau. Comparer et conclure.

 

-          Expression du quotient de réaction Q r et du quotient de réaction à l’équilibre Q r,eq.

 

 

-          Tableau d’avancement de la réaction :

HCOOH (aq)     +   H2O ()      =   HCOO (aq)    +   H3O + (aq)   

 

Équation

HCOOH (aq)

H2O ()

=

HCOO (aq)

H3O + (aq) 

état

Avancement

x (mmol)

mmol

mmol

 

mmol

mmol

État initial (mol)

0

napp

excès

 

0

0

Au cours de la

transformation

x

napp - x

excès

x

x

Avancement

final

xf

napp xf

excès

xf

xf

Avancement

 maximal

xmax

napp xmax

excès

 

xmax

xmax

 

-          Concentration molaire des ions présents à l’équilibre :

-          D’après l’équation de la réaction :[ H3O + ] eq [ HCOO ] eq, 

-          Car on néglige l’apport des ions oxonium dû à l’eau.

-         [ HCOOH ] eq + [ HCOO ] eq = C1

-          Car il n’y a pas de variation de volume.

-         [ HCOOH ] eq  = C1 [ HCOO ] eq

-          Taux d’avancement final de la réaction :

-         

-          D’autre part : 

-         [ HCOO ] eq = [ H3O+ ] eq = τ . C1 

-         [ HCOOH] eq + [ HCOO ] eq C1  =>    [ HCOOH ] eq  C1    [ HCOO - ] eq

-         [ HCOOH ] eq  C1  -  τ . C1

-         [ HCOOH ] eq  = C1 . (1    τ )

-          On tire l’expression suivante :

-         

-          Calculer Q r,eq pour les solutions S1, S2 et S3. Présenter les résultats sous forme de tableau. Comparer et conclure.

Solutions

S1

S2

S3

S0

Concentrations mol / L

1,0 x 10 –2

2,5 x 10 –2

5,0 x 10 –2

1,0 x 10 –2

Conductance G mS

1,51

2,38

3,38

13,1

τ %

12,1

7,6

5,4

référence

Q r,eq

1,7 x 10 –4

1,6 x 10 –4

1,6 x 10 –4

 

 

Q r,eq cte. 

Aux erreurs de mesures près, on a montré l’invariance de Q r,eq pour un acide donné.

On écrit que :  Q r,eq = K (constante l’équilibre)

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