Suivi d’une transformation chimique exercices corrigés
🧪 Exercice : Questions de cours (Suivi d’une transformation chimique)
Quels sont les ions présents dans une solution d’acide chlorhydrique ? Donner sa formule chimique.
Comment peut-on identifier les ions chlorure \( Cl^- \) en solution ? Quel est le test correspondant ?
Lors de la réaction entre le fer et l’acide chlorhydrique, quel gaz se dégage ? Comment le identifier ?
Comment peut-on identifier les ions fer II \( Fe^{2+} \) en solution ? Donner le test et la couleur du précipité obtenu.
Donner la définition d’une transformation chimique. Quels sont les réactifs et les produits ?
Écrire l’équation chimique de la réaction entre le fer et l’acide chlorhydrique.
Quelles sont les lois de conservation que doit respecter une équation chimique ?
Définir l’avancement \( x \) d’une réaction chimique. Quelle est son unité ?
Qu’est-ce qu’un réactif limitant ? Comment détermine-t-on l’avancement maximal \( x_{max} \) ?
L’acide chlorhydrique contient deux types d’ions :
- Ions hydrogène : \( H^+_{(aq)} \) (caractère acide, pH < 7)
- Ions chlorure : \( Cl^-_{(aq)} \)
Le pH < 7 confirme la présence d’ions \( H^+ \) en quantité importante.
Test : Ajouter quelques gouttes de nitrate d’argent \( AgNO_3 \) à la solution.
Observation : Formation d’un précipité blanc qui noircit à la lumière (chlorure d’argent \( AgCl \)).
Le précipité blanc qui noircit à la lumière est caractéristique des ions chlorure.
La réaction entre le fer et l’acide chlorhydrique produit du dihydrogène \( H_2(g) \).
Test d’identification :
- Approcher une allumette enflammée de l’ouverture du tube.
- On entend une petite détonation (« pop ») et le gaz brûle sans bruit.
Test : Ajouter goutte à goutte de la soude \( NaOH \) à la solution.
Observation : Formation d’un précipité vert (hydroxyde de fer II).
Le précipité vert est caractéristique des ions fer II (\( Fe^{2+} \)).
Une transformation chimique est un processus au cours duquel :
- Des espèces chimiques disparaissent : ce sont les réactifs.
- De nouvelles espèces chimiques apparaissent : ce sont les produits.
Exemple : \( Fe_{(s)} + 2H^+_{(aq)} \rightarrow Fe^{2+}_{(aq)} + H_2(g) \)
L’équation chimique de la réaction entre le fer et l’acide chlorhydrique est :
Les ions chlorure \( Cl^- \) ne participent pas à la réaction (ions spectateurs).
Les ions \( Cl^- \) sont des ions spectateurs (ils ne réagissent pas).
Une équation chimique doit respecter plusieurs lois de conservation :
- Conservation des éléments chimiques : Les atomes présents dans les réactifs se retrouvent dans les produits.
- Conservation de la charge électrique : La somme des charges des réactifs est égale à celle des produits.
- Conservation du nombre d’entités : Le nombre d’atomes de chaque élément est le même des deux côtés.
- Conservation de la masse : La masse des réactifs est égale à la masse des produits.
Pour respecter ces lois, on ajuste l’équation avec des coefficients stœchiométriques.
L’avancement \( x \) d’une réaction chimique est une grandeur qui permet de suivre l’évolution des quantités de matière des réactifs et des produits au cours de la transformation.
Pour la réaction \( \alpha A + \beta B \rightarrow \gamma C + \delta D \) :
- La quantité de \( A \) consommée : \( \alpha \cdot x \)
- La quantité de \( C \) formée : \( \gamma \cdot x \)
Le réactif limitant est le réactif qui disparaît en premier au cours de la réaction. Il impose la fin de la transformation.
L’avancement maximal \( x_{max} \) est la valeur de l’avancement lorsque le réactif limitant est complètement consommé.
- Si \( A \) est limitant : \( n_i(A) – \alpha \cdot x_{max} = 0 \) → \( x_{max} = \dfrac{n_i(A)}{\alpha} \)
- Si \( B \) est limitant : \( n_i(B) – \beta \cdot x_{max} = 0 \) → \( x_{max} = \dfrac{n_i(B)}{\beta} \)
Le réactif limitant est celui qui donne la plus petite valeur de \( x_{max} \).
💡 Mélange stœchiométrique : Si \( \dfrac{n_i(A)}{\alpha} = \dfrac{n_i(B)}{\beta} \), les deux réactifs disparaissent complètement.
🧪 Exercice 1 : Compléter les équations de dissolution
Compléter les équations de dissolution dans l’eau en écrivant les ions formés.
Le carbonate de potassium \( K_2CO_3 \) est un solide ionique. Dans l’eau, il se dissocie en ions :
⚠️ Attention : Le carbonate de potassium ne se décompose pas en \( K_2O \) et \( CO_2 \) dans l’eau.
Le chlorure d’hydrogène \( HCl \) est un gaz polaire très soluble dans l’eau. Il se dissocie en ions :
La solution obtenue est une solution d’acide chlorhydrique.
Les ions \( 2Na^+ \) et \( SO_4^{2-} \) proviennent de la dissolution du sulfate de sodium \( Na_2SO_4 \) :
💡 Le sulfate de sodium est très soluble dans l’eau.
💡 Vérification : \( 2 \times (+1) + (-2) = 2 – 2 = 0 \)
L’acide nitrique \( HNO_3 \) est un acide fort. Dans l’eau, il se dissocie complètement en ions :
Les ions \( H^+ \) confèrent le caractère acide à la solution.
Le sulfate de fer III \( Fe_2(SO_4)_3 \) est un solide ionique. Dans l’eau, il se dissocie en ions :
⚠️ Le fer est sous forme \( Fe^{3+} \) (fer III), pas \( Fe^{2+} \).
💡 Vérification : \( 2 \times (+3) + 3 \times (-2) = 6 – 6 = 0 \)
Les ions \( Al^{3+} \) et \( 3Cl^- \) proviennent de la dissolution du chlorure d’aluminium \( AlCl_3 \) :
⚠️ Le chlorure d’aluminium ne forme pas \( AlCl_4^- \) en solution aqueuse simple.
💡 Remarque : \( AlCl_4^- \) est un ion complexe qui peut se former dans certaines conditions, mais la dissolution simple de \( AlCl_3 \) donne \( Al^{3+} \) et \( Cl^- \).
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Exercice 2 : Réaction du mercure avec le dichlore
Le mercure réagit avec le dichlore selon l’équation chimique suivante :
On réalise la combustion d’un mélange de 1,0 mol de mercure et 1,5 mol de dichlore gazeux.
Établir le tableau d’avancement pour suivre l’évolution chimique de la réaction.
Donner le bilan des quantités de matière lorsque l’avancement de la réaction atteint la valeur x = 0,50 mol.
Déterminer le réactif limitant et la valeur de l’avancement maximal \( x_{max} \).
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Exercice 3 : Fabrication de l’éthène
Le gaz éthène \( C_2H_4 \) est préparé au laboratoire par déshydratation de l’éthanol.
La réaction est modélisée par l’équation suivante :
À l’état initial, on dispose de 1,3 mol d’éthanol.
Lorsque 0,70 mol d’éthène s’est formé, la réaction s’arrête.
Établir le tableau d’avancement de la réaction.
Calculer la valeur de l’avancement \( x \) de la réaction lorsqu’il s’est formé 0,70 mol d’éthène.
Établir le bilan des quantités de matière correspondant à cet avancement.
Quelle est la quantité maximale d’éthène que l’on pourrait obtenir si la réaction n’était pas arrêtée ?
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Exercice 4 : Combustion du fer dans le dichlore
On réalise la combustion de 0,10 mol de limaille de fer dans un flacon contenant 0,10 mol de dichlore gazeux \( Cl_2 \).
Données :
\( M(Fe) = 55,8 \, g/mol \) — \( M(Cl) = 35,5 \, g/mol \)
Écrire et équilibrer l’équation de la réaction.
Établir le tableau d’avancement de la réaction. En déduire le réactif limitant et l’avancement maximal \( x_{max} \).
Calculer la masse de chlorure de fer III \( FeCl_3 \) formé.
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🧪 Exercice 5 : Réaction du zinc avec le sulfate de cuivre II
On place dans un bécher un volume \( V_1 = 50 \, \text{mL} \) d’une solution aqueuse de sulfate de cuivre II de concentration
\( C_1 = 1,0 \, \text{mol.L}^{-1} \), puis on y ajoute une quantité de poudre de zinc de quantité de matière \( n_i(\text{Zn}) \).
On agite le mélange jusqu’à disparition totale de la couleur bleue de la solution.
Au cours de cette transformation, il se forme des ions \( Zn^{2+}_{(aq)} \) et du métal cuivre \( Cu_{(s)} \).
Données :
\( M(Cu) = 63,5 \, g.mol^{-1} \) — \( M(Zn) = 65,4 \, g.mol^{-1} \)
Écrire l’équation de la réaction.
Établir le tableau d’avancement de la réaction.
Déterminer le réactif limitant en justifiant la réponse.
Calculer l’avancement maximal \( x_{max} \).
Quelle masse de zinc doit-on utiliser pour que le tiers de la quantité de zinc soit consommé à la fin de la réaction ?
Calculer la masse de cuivre métal formé dans ce cas.
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🧪 Exercice 6 : Combustion du carbone dans le dioxygène
On réalise la combustion d’un morceau de carbone de masse \( m = 0,96 \, \text{g} \) dans un volume \( V = 120 \, \text{L} \) de dioxygène.
Données :
\( M(C) = 12 \, g/mol \) — \( V_M = 24 \, L/mol \)
Écrire l’équation de la réaction.
Déterminer la quantité de matière initiale du carbone et du dioxygène.
Établir le tableau d’avancement exprimant les états initial, intermédiaire et final.
Trouver la valeur de l’avancement maximal et déterminer le réactif limitant.
Déduire la masse de carbone restant et le volume de dioxyde de carbone formé à la fin de la réaction.
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🧪Exercice 7 : Réaction du fer avec le dichlore
On réalise la réaction chimique entre 11,2 g de fer et le dichlore gazeux contenu dans un flacon de volume 6 L.
On obtient un solide, le chlorure de fer III de formule \( FeCl_3 \).
Données :
\( M(Cl) = 35,5 \, g/mol \) — \( M(Fe) = 56 \, g/mol \) — \( V_m = 24 \, L/mol \)
Écrire l’équation chimique de cette réaction.
Déterminer l’avancement maximal et le réactif limitant.
Donner le bilan de matière à la fin de la réaction et en déduire la masse du réactif utilisé en excès et la masse de \( FeCl_3 \) formé.
Si l’on part d’un mélange stœchiométrique, déterminer la masse de fer qu’il faudrait utiliser pour un volume de \( 1 \, \text{L} \) de dichlore gazeux.
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🧪 Exercice 8 : Attaque du calcaire par l’acide chlorhydrique
Le dioxyde de carbone \( CO_2 \) se forme dans les carrières par l’action des eaux acides sur le carbonate de calcium \( CaCO_3 \) présent dans les pierres calcaires.
Pour étudier cette réaction, on verse dans un bêcher un volume de 100 mL d’une solution d’acide chlorhydrique \( (H_3O^+ + Cl^-) \) de concentration molaire \( C = 0,1 \, \text{mol/L} \), puis on y ajoute une masse m = 2 g de carbonate de calcium \( CaCO_3 \).
La réaction chimique est modélisée par l’équation suivante :
Données :
\( M(C) = 12 \, g/mol \) ; \( M(O) = 16 \, g/mol \) ; \( M(H) = 1 \, g/mol \) ; \( M(Ca) = 40 \, g/mol \)
La densité d’un gaz par rapport à l’air est donnée par : \( d = \dfrac{M}{29} \)
Calculer la densité du gaz formé par rapport à l’air. Dans quelle partie de la carrière se trouve ce gaz ?
Pourquoi les ions chlorure \( Cl^- \) n’apparaissent-ils pas dans l’équation chimique ?
Calculer la quantité de matière initiale de chacun des réactifs.
Donner le tableau d’avancement de la réaction. En déduire l’avancement maximal et le réactif limitant.
Déterminer les ions présents dans la solution au cours de la transformation.
Donner l’expression des concentrations des ions présents dans la solution au cours de la transformation.
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🧪 Exercice 9 : Réduction de l’oxyde de fer III par le carbone
On considère la réaction de réduction de l’oxyde de fer III \( Fe_2O_3 \) par le carbone \( C \) :
Données :
\( M(Fe) = 56 \, g/mol \) — \( M(O) = 16 \, g/mol \)
Cette réaction produit 56 g de fer à la fin de la réaction.
Calculer la quantité de matière de fer formé.
Utiliser le tableau d’avancement pour déterminer l’avancement maximal de cette réaction.
On utilise 16 g de \( Fe_2O_3 \) et du carbone en excès.
Déterminer la composition du mélange à la fin de la réaction et la masse de fer formée.
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🧪 Exercice 10 : Réaction entre \( H_2S \) et \( SO_2 \)
L’équation modélisant la réaction chimique entre le sulfure d’hydrogène \( H_2S \) et le dioxyde de soufre \( SO_2 \) est :
Les graphiques suivants représentent l’évolution des quantités de matière des réactifs pour deux mélanges initiaux différents.
Déterminer les quantités initiales des réactifs dans chacun des deux cas.
Lequel des deux cas représente un mélange initial stœchiométrique ? Justifier.
Pour l’autre cas, déterminer :
a) L’avancement maximal et le réactif limitant.
b) Le bilan de matière de la réaction.
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🧪 Exercice 11 : Réaction du bronze avec l’acide chlorhydrique
Lors de la réaction du métal étain \( Sn \) avec une solution d’acide chlorhydrique, il se forme du dihydrogène et des ions étain \( Sn^{2+} \).
Dans les mêmes conditions expérimentales, le cuivre \( Cu \) ne réagit pas.
On considère un échantillon de bronze (constitué d’un mélange de cuivre et d’étain) de masse \( m_0 = 5,4 \, g \).
On l’immerge dans un volume \( V_0 = 100 \, mL \) d’une solution d’acide chlorhydrique de concentration \( C_0 = 0,5 \, mol.L^{-1} \).
On recueille un volume de dihydrogène \( V = 250 \, mL \).
Données :
\( R = 8,314 \, (SI) \) — \( M(H) = 1 \, g/mol \) — \( \theta = 25^\circ C \) — \( M(Sn) = 118,7 \, g/mol \) — \( P = 1,0 \times 10^5 \, Pa \)
Écrire l’équation de la réaction de l’étain avec l’acide chlorhydrique.
Après avoir établi le tableau d’avancement, déterminer l’avancement maximal et la composition finale du mélange, sachant que l’étain est le réactif limitant.
Déterminer la quantité de matière et la masse d’étain présente dans l’échantillon de bronze.
En déduire le pourcentage massique d’étain dans l’échantillon de bronze.
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Exercice 12 : Précipitation du chlorure d’argent
On mélange un volume \( V_1 = 100 \, mL \) d’une solution de chlorure de calcium \( Ca^{2+}_{(aq)} + 2Cl^-_{(aq)} \) et un volume \( V_2 = 100 \, mL \) d’une solution de nitrate d’argent \( Ag^+_{(aq)} + NO_3^-_{(aq)} \).
Les deux solutions ont la même concentration molaire du soluté apporté : \( C = 10^{-2} \, mol.L^{-1} \).
Il se produit une réaction de précipitation entre les ions \( Ag^+ \) et \( Cl^- \) donnant un précipité de chlorure d’argent \( AgCl \).
Écrire l’équation de la réaction de précipitation.
Établir le tableau d’avancement de la réaction de précipitation.
Quelle est la quantité de matière du précipité formé à l’état final ?
Déterminer les concentrations molaires effectives des ions présents dans la solution à l’état final.
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Exercice 13 : Combustion du propane
Le propane \( C_3H_8 \) brûle dans le dioxygène selon l’équation suivante :
On réalise la combustion complète d’un volume \( V = 48,0 \, L \) de gaz propane à la température \( T \) et sous la pression \( P \).
Donnée : \( V_m = 24,0 \, L.mol^{-1} \) (volume molaire dans les conditions de l’expérience)
Calculer la quantité de matière initiale de propane.
Calculer la quantité de dioxygène nécessaire pour que le mélange initial soit stœchiométrique.
À l’état initial, le volume de dioxygène est \( V(O_2) = 120 \, L \) dans les mêmes conditions. Déterminer le réactif limitant.
Établir le tableau d’avancement de la réaction.
Tracer le graphique représentant l’évolution des quantités de matière des réactifs et des produits en fonction de l’avancement \( x \). En déduire graphiquement :
Déterminer la valeur de l’avancement maximal \( x_{max} \).
Identifier le réactif limitant.
Donner le bilan des quantités de matière à l’état final.
Retrouver les résultats des questions 5.1, 5.2 et 5.3 à l’aide du tableau d’avancement.
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