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étude d'un
produit d'entretient ( 5pts)
Données : H: 1,00 ; N : 14,0
g/mol ; Ka = 6,3 10-10 ; pKa = 9,2 ;
aide aux calculs : 1,6,3 = 0,16 ;
10,8*17,0=184 ; 184/920 = 2,00
10-1.
Sur l'étiquette d'une
solution commerciale d'ammoniac ( NH3) on lit : %
massique en ammoniac : 20 %.
On prépare 100 mL d'une
solution diluée, noté S au
20ème de la solution commerciale ,
notée S0.
- La mesure du pH à 25°C de la solution
diluée donne pH= 11,2. Indiquer en justifiant la
nature de cette solution.
- Préciser le nom et la formule de son
espèce conjuguée.
- Ecrire le couple acide base auquel appartient
l'ammoniac.
- Donner le diagramme de prédominance, en fonction
du pH, des espèces chimiques de ce couple et en
déduire l'espèce prédominante dans
la solution S d'ammoniac.
- Pour vérifier les indications de
l'étiquette on titre un volume V= 10,0 mL de la
solution S par une solution d'acide chlorhydrique de
concentration CA= 5,00 10-1 mol/L
en présence de quelques gouttees de BBT. Le
changement de teinte de la solution a lieu pour un volume
VA éq = 10,8 de solution titrante.
- Ecrire l'équation de la réaction support
du dosage en précisant les caractéristiques
de cette transformation chimique.
- Etablir l'expression de la constante d'équilibre
K en fonction de la constante d'acidité
Ka. Calculer sa valeur et conclure.
- Déterminer la concentration molaire C de la
solution S ; en déduire la concentration
C0 de la solution commerciale.
- La mesure de la masse volumique de la solution
commerciale donne m= 920 g/L.
Déterminer l'expression du pourcentage massique de
la solution commerciale en fonction de C0, M
et m. Calculer sa valeur et
conclure.
- Lors de ce titrage, la mesure du pH de la solution
lorsqu'on a versé un volume VA = 6,0 mL
d'acide chlorhydrique donne pH= 9,0.
- Déterminer les quantités de
matière n1 d'ammoniac et n2
d'acide chlorhydrique introduites.
- Détrminer l'avancement final, l'avancement
maximal à l'aide d'un tableau descriptif de
l'évolution du système chimique.
- Montrer en calculant le taux d'avancement final
t que la transformation est
quasi-totale.
corrigé
nature de cette solution
S : pH supérieur à 7 à25°C, donc
milieu basique
l'espéce
" acide conjugué "de l'ammoniac est l'ion ammonium
NH4+.
couple acide base
: NH4+ / NH3.
L'espèce
NH3 prédomine dans la solution S (
pH>pKa)
équation de la réaction support
du dosage :
NH3 + H3O+ =
NH4+ + H2O, rapide et
totale.
K=
[NH4+]/([H3O+][NH3])
= 1/Ka = 109,2 ; K est très
grand, la transformation est totale.
concentration molaire C de la solution
S :
à
l'équivalence les réactifs mis en
présence sont en proportions stoechiométriques
: C V= CA VA éq
C =
CA VA éq /V =
0,5*10,8 / 10 = 5,4 10-1 mol/L.
concentration C0 de la solution commerciale :
C0 = 20 C = 10,8 mol/L
expression du pourcentage massique de la solution
:
masse d'ammoniac pure dans 1 L : C0M avec M :
masse molaire ammoniac ( g/L)
masse de 1 L de solution : m g
; %massique d'ammoniac p%= C0M*100 / m
= 10,8*17*100/920 = 20 %, valeur en accord avec l'indication
de l'étiquette.
quantités de matière
n1 d'ammoniac et n2 d'acide
chlorhydrique :
n1 =VC= 10 10-3*0,54 = 5,4
10-3 mol ;
n2=CAVA= 0,5*6
10-3 = 3 10-3 mol
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avancement (mol)
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NH3
|
+
H3O+
|
=
NH4+
|
+
H2O
|
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initial
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0
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5,4 10-3
|
3 10-3
|
0
|
solvant en grand excès
|
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en cours
|
x
|
5,4 10-3-x
|
3 10-3 -x
|
x
|
|
fin
|
xmax
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5,4
10-3-xmax
|
3 10-3-xmax
|
xmax
|
|
xfin
|
5,4
10-3-xfin
|
3 10-3-xfin
|
xfin
|
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acide en défaut d'où : 3
10-3-xmax =0 soit xmax = 3
10-3 mol
3 10-3-xfin =
10-pH * (10+6) 10-3= 1,6
10-11 mol soit xfin = 3
10-3 mol
taux d'avancement final t =
xfin / xmax = 1 ; la
transformation est totale.
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Synthèse organique ( 5
pts)
Données :le méthanol est un produit
très inflammable et toxique. L'acide salicylique et
l'acide paratoluène sulfonique sont des produits
toxiques et irritants pour les yeux ;
dméthanol/eau = d = 0,79. Masse volumique
de l'eau re= 1,0
103 g/L ; M( méthanol) = 32,0 g/mol.
aide aux calculs : 32/79 = 0,40 ; 79/32 = 2,47.
Le salicylate de méthyl est employé dans
l'agroalimentaire. Ce composé est
synthétisé à partir de l'acide
salicylique (
HO-C6H4-CO2H(s) ) et du
méthanol (CH3OH(l)). Dans un ballon on
introduit 2,7 g soit 0,200 mol d'acide salicylique solide,
100 mL de méthanol et 15,0 mL d'acide
paratoluène sulfonique servant de catalyseur. On
chauffe à reflux tout en agitant.
- Ecrire l'équation de la transformation
chimique permettant la synthèse du salicylate de
méthyle.
- Le mélange initial est-il
stoechiomètrique ?
- Quels facteurs cinétiques sont à
considérer lors de cette expérience ?
- Préciser les précautions à
prendre pour préparer le mélange
réactionnel initial.
- Expliquer le principe du chauffage à reflux et
indiquer tout le matèriel nécessaire pour
réaliser ce montage.
Pour suivre l'évolution de cette transformation
cimique au cours du temps, on prélève
toutes les 15 min, le même volume du milieu
réactionnel, supposé homogène. On
titre chaque échantillon par une solution
d'hydroxyde de sodium de concentration cB en
présence de phénolphtaléine. On
considère dans ces conditions de titrage que tout
l'acide paratoluène sulfonique et l'acide
carboxylique présent sont neutralisés
simultanément. On obtient les volumes vB de
solution de soude versé à
l'équivalence pour chaque prélevement
noté de 1 à 7.
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n°
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1
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2
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3
|
4
|
5
|
6
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7
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vB (mL)
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24,0
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19,0
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16,5
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15,5
|
15,0
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14,9
|
14,9
|
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n(a.s)t mmol
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54,6
|
24,6
|
9,60
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6,00
|
3,60
|
0
|
0
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- Quel est le rôle des 14,9 mL de réactif
titrant qu'il est nécessaire d'ajouter dans les
prélevements n°6 et 7 ?
- Pour chaque prélevement titré, les
valeurs de vB versé, de V et de
CB permettent de calculer la quantité
de matière d'acide salicylique restant
n(a.s)t au cours du temps dans le
mélange initialement préparé.
Déduire de ces valeurs les quantités de
matière de salicylate de méthyle
n(s.m)t au cours du temps.
- Tracer dans le même repère
n(a.s)t et n(s.m)t au cours du
temps.
- Calculer le taux d'avancement final pour les
prélevements n°1, 3 et 6. Conclure.
corrigé
équation de la transformation chimique
permettant la synthèse du salicylate de
méthyle :
HO-C6H4-CO2H(s) +
CH3OH(l) =
HO-C6H4-CO2CH3 +
H2O
Quantités
de matière initiales : n(acide
salicylique)
=0,2 mol ; n(méthanol) = m/M = 100*0,79 / 32 = 79/32
= 2,47 mol
le
méthanol est en large excès, les
réactifs réagissant mole à mole.
Le mélange initial n'est pas
stoechiomètrique.
facteurs cinétiques : concentrations des
réactifs et température.
précautions à prendre pour
préparer le mélange réactionnel initial
: port de blouse, gants, lunettes, travail sous hotte.
principe du chauffage à reflux :
accélère la réaction ( travail à
température modérée ) sans perte de
matière ( les vapeurs se condensent dans le
réfrigérant droit et retombent dans le milieu
réactionnel.
On peu ajouter un élévateur à
croisillons sous le chauffe ballon.
rôle des 14,9 mL de réactif titrant
qu'il est nécessaire d'ajouter dans les
prélevements n°6 et 7 :
déterminer la quantité de matière
d'acide paratoluène sulfonique qui réagit avec
la soude.
quantités de matière de salicylate de
méthyle n(s.m)t au cours du temps :
200-n(a.s)t = n(s.m)t en mmol.
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n°
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1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
|
n(a.s)t mmol
|
54,6
|
24,6
|
9,60
|
6,00
|
3,60
|
0
|
0
|
|
n(s.m)t en mmol
|
145
|
175
|
190
|
194
|
196
|
200
|
200
|
taux d'avancement final pour les
prélevements n°1, 3 et 6 : t
= n(s.m)t /200
t 1= 145/200 = 0,73
; t 3= 190/200 = 0,95
; t 6= 200/200 = 1
;
à partir du prélèvement n°6, on
peut affirmer que la réaction est
terminée.
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