sécurité, acide formique, mélange d'acides orthophtalique et chlorhydrique concours itrf Lille 2001

Ils montrent que ce composé est une substance :

- facilement inflammable ; irritante ; toxique ; comburante ; corrosive ; explosive.

Donner la signification des panneaux d'avertissement et signalisation de risque ou de danger ci-dessous :

(1) matières radioactives, radiations ionisantes.

(2) : rayonnement laser ; (3) : risque biologique.

Donner les différentes voies de pénétration d'un toxique dans l'organisme :

voie respiratoire ; bouche ; peau.

Une solution aqueuse d'acide formique A de concentration molaire c₁ a un pH de 2,4. La constante d'acidité du couple HCOOH / HCOO^- est K_a =1,58 10^-4.

HCOOH + H₂O = HCOO^- + H₃O⁺.

K_a = [HCOO^-][H₃O⁺] / [HCOOH] (1)

La solution est électriquement neutre et en milieu acide HO^- est négligeable :

[HCOO^-]=[H₃O⁺] (2)

Conservation de l'élément carbone :

[HCOOH] +[HCOO^-] = c₁.

L'acide est peu dissocié, [HCOO^-] négligeable devant [HCOOH] : [HCOOH] = c₁.

(1) s'écrit alors : K_a =[H₃O⁺]²/c₁ soit c₁ = [H₃O⁺]²/K_a avec [H₃O⁺] = 10^-pH = 10^-2,4.

c₁ = 10^-4,8 / 1,58 10^-4 = 0,10 mol/L.

pH d'une solution B de concentration 10^-3 mol/L :

[H₃O⁺]² = c_B K_a = 10^-3 *1,58 10^-4 = 1,58 10^-7 ;

[H₃O⁺]=3,97 10^-4 mol/L ; pH = -log (3,97 10^-4 ) ; pH=3,4.

Lorsque la concentration de l'acide formique est divisée par 100, le pH n'augmente que d'une unité pH : l'acide formique est un acide faible.

Coefficient de dissociation a de l'acide formique :

a ₁ = [HCOO^-] / c₁ = 10^-2,4 / 10^-1 = 10^-1,4 = 0,04.

a₂ = [HCOO^-] / c_B = 10^-3,4 / 10^-3 = 10^-0,4 = 0,4.

Par dilution ( ajout d'eau) l'équilibre HCOOH + H₂O = HCOO^- + H₃O⁺ est déplacé dans le sens direct, ionisation de l'acide formique.

pH d'une solution contenant 0,1 mol/L d'acide formique et 0,1 mol/L d'acide chlorhydrique :

On raisonne sur 1 L de solution ; l'acide chlorhydrique, acide fort apporte 0,1 mol d'ion oxonium ; l'acide formique apporte 10^-2,4 =4 10^-3 mol d'ion oxonium.

n(H₃O⁺) = 0,1 + 0,004 = 0,104 mol/L ; pH = - log 0,104 =0,98.

Masse de soude solide à ajouter à 600 mL de la solution A pour obtenir une solution de pH égal à 4,1 :

	avancement (mol)	HCOOH	+ HO-	= HCOO-	+H2O
initial	0	0,6*0,1 = 0,06 mol	n	0	solvant en large excès
en cours	x	0,06-x	n-x	x
fin	xmax	0,06-xmax	n-xmax =0	xmax

Cette transformation étant totale. n-x_max =0 soit x_max = n

Le pH de la solution est donné par : pH = pK_a + log ( [HCOO^-] / [HCOOH])

avec pK_a = -log 1,58 10^-4 = 3,80 ; [HCOO^-] / [HCOOH] = n/(0,06-n) et pH= 4,1.

log ( [HCOO^-] / [HCOOH]) = pH - pK_a= 4,1-3,8 = 0,3

[HCOO^-] / [HCOOH] = 10^0,3 =2 = n/(0,06-n)

2(0,06-n) = n ; n = 0,04 mol.

Masse molaire de la soude NaOH = 23+16+1 = 40 g/mol

masse (g) = masse molaire (g/mol) * quantité de matière (mol) =40*0,04 = 1,6 g.

Volume d'eau à ajouter à 400 mL de la solution A pour obtenir une solution de concentration c₃ = 0,625 c₁

Le facteur de dilution est égal à F= c₁/c₃ = 1/0,625 =1,6.

Le volume final sera égal à 400*1,6 = 640 mL : il faut ajouter 240 mL d'eau.

A 100 mL d'un mélange d'acide orthophtalique C₆H₄-1,2-(CO₂H)₂ et d'acide chlorhydrique, on ajoute progressivement 25 mL d'une solution de soude à 1 mol/L et on enregistre le pH et les pourcentages des différentes formes de l'acide orthophtalique.

Equations dans l'ordre où elle vont se produire au cours du dosage :

H₃O⁺ + HO^- = 2 H₂O ; K₁ = 10¹⁴.

C₆H₄-1,2-(CO₂H)₂ + HO^- = H₂O + C₆H₄-1,2-(CO₂^-)(CO₂H) K₂ = 10^14-pKa1 = 10¹¹.

C₆H₄-1,2-(CO₂^-)(CO₂H) + HO^- = H₂O + C₆H₄-1,2-(CO₂^-)₂ K₃= 10^14-pKa2 = 10^8,5.

Le premier saut de pH correspond au dosage de HCl et de la première acicité de l'acide orthophtalique : à la première équivalence E₁, la courbe 4 tend vers zéro.

Le second saut correspond au dosage de la deuxième acidité de l'acide orthophtalique.

Molarité de l'acide orthophtalique dans la solution de départ :

Pour doser la seconde acidité il faut 20-14 = 6 mL de soude.

Quantité de matière de soude (mol) = volume versé (mL) * concentration(mol/L) = 6 10^-3*1 = 6 10^-3 mol.

d'où la concentration de l'acide orthophtalique : c₂ = 6 10^-3 /0,1 = 6 10^-2 mol/L.

Molarité de l'acide chlorhydrique dans la solution de départ :

Pour doser l'acide chlorhydrique il faut 14-6 = 8 mL de soude.

Quantité de matière de soude (mol) = volume versé (mL) * concentration(mol/L) = 8 10^-3*1 = 8 10^-3 mol.

d'où la concentration de l'acide chlorhydrique : c₁ = 8 10^-3 /0,1 = 8 10^-2 mol/L.

Formule donnant le pH du premier saut :

pH_E1 = ½(pK_a1 pK_a2 ) = 0,5 (3+5,5) = 4,25, en accord avec la valeur 4,2 lue sur le graphe.
Formule donnant le pH du second saut :

pH= ½(pK_e+pK_a2+log c₂) = 0,5(14+5,5+log 0,06) = 9,15, en accord avec la valeur 9,2 lue sur le graphe.

Concentration [H₃O⁺] dans la solution de départ :

d'après le graphe : pH est proche de 1 ; d'où [H₃O⁺] = 0,1 mol/L.

Pour pH=4,5 les pourcentages des diverses formes de l'acide orthophtalique sont :