acide base ; oxydoréduction ( concours manipulateur radio AP HP 2009)

Exercice 1 : On dissout du chlorure d'hydrogène dans l'eau pure. Quels sont les ions présents en solution ? oxonium H3O+aq et chlorure Cl-aq. Donner la relation de définition du pH. pH = - log [H3O+aq ] avec [H3O+aq ] exprimée en mol/L. On dissout 48 L de chlorure d'hydrogène dans 1 m3 d'eau. Si l'on considère la réaction entre le chlorure d'hydrogène et l'eau comme totale, quel est le pH de la solution obtenue ? Vm = 24 L/mol. Quantité de matière de HCl(g) = n = V/Vm = 48/24 = 2,0 mol. HCl(g) +H2O(l)=H3O+aq +Cl-aq. n(H3O+aq ) = n = 2,0 mol [H3O+aq ] = n / volume de la solution en litre = 2,0 / 1000 =2,0 10-3 mol/L. pH = - log [H3O+aq ] = - log(2,0 10-3) =3 - log 2 = 3-0,3 = 2,7. Exercice 2 : On plonge une lame de zinc dans une solution de sulfate de cuivre. La couleur bleue de la solution disparaît,la lame de zinc se recouvre d'un dépôt rougeâtre. La transformation est totale. Comment interpréter les phénomènes observés. Ecrire les demi-équations et l'équation de la réaction. La couleur bleue initiale est due aux ions Cu2+aq ; le dépôt rouge est du cuivre métallique. Réduction des ions cuivre (II) en cuivre métallique : Cu2+aq + 2e- = Cu(s). Le zinc, métal plus réducteur que le cuivre, s'oxyde : Zn(s) = Zn2+aq + 2e-. Cu2+aq + Zn(s) = Cu(s) + Zn2+aq. Quel est le type de transformation observée ? Les quantités de matière des réactis sont modifiées : donc transformation chimique. La masse de cuivre déposée est m = 127 mg. le volume de la solution est égal à 100 mL. m(Cu) = 63,5 g/mol) Quelle était la concentration initiale des ions Cu2+aq ? n(Cu) finale = m / M = 127 / 63,5 = 2,00 mmol. n(Cu2+aq) initiale = n(Cu) finale = 2,00 mmol. [Cu2+aq] = n(Cu2+aq) initiale /V = 2,00 / 100 = 2,00 10-2 mol/L. Exercice 3 : L'acide chlorhydrique réagit sur Ie zinc suivant l'équation de réaction supposée totale : 2H30+aq + Zn (s)= H2 (g)+Zn2+aq+2H2O(l) A l'instant t = 0 s, on introduit une masse m = 1,0 g de zinc en poudre dans un ballon contenant v = 40 mL d'une solution d'acide chlorhydrique de concentration molaire CA = 0,50 mol/L. On mesure Ie volume V de dihydrogène formé au cours du temps. L'avancement x de la réaction à une date t est égal àla quantité de matière d'ions Zn2+aq formés à cette date. JustifIer"(on pourra s'aider d'un tableau d'avancement). avancement (mol) 2H30+aq + Zn (s) = H2 (g) +Zn2+aq +2H2O(l) initial 0 vCA =0,040*0,5 =0,020 m/M = 1/65,4 =1,5 10-2 0 0 solvant intermédiaire x 0,02-2x 1,5 10-2-x x x en large fin xmax 0,02-2xmax 1,5 10-2-xmax xmax xmax excès Si l'acide est en défaut : 0,02-2xmax = 0 ; xmax =0,010 mol Si le zinc est en défaut 1,5 10-2-xmax = 0 ; xmax =1,5 10-2 mol Le volume molaire du gaz lors de l'expérience étant Vm = 25 L/mol, déterminer la concentration [Zn2+aq] de la solution en ions Zn2+aq lorsque le volume dégagé de dihydrogène atteint V = 0,125 L. n(H2) = x = V / Vm =0,125/25 = 5,0 10-3 mol. [Zn2+aq] = x/v = 5,0 10-3 / 40 10-3 = 5/40 = 0,125 mol/L ~0,13 mol/L.   La courbe ci-dessus représente, en fonction du temps, l'évolution de la concentration des ions Zn2+aq en solution. Définir la vitesse volumique de la réaction. vitesse = 1/v dx/dt = d[Zn2+aq]/dt avec v : volume de la solution (L) et x : avancement (mol) Comment évolue la vitesse volumique de réaction entre 0 et 1000 s ? Justifier votre réponse et interpréter cette évolution. d[Zn2+aq]/dt est le coefficient directeur de la tangente à la courbe en un point donné. Or les tangentes sont de moins en moins inclinées sur l'horizontale au cours du temps : le coefficient directeur de ces tangentes diminue et en conséquence la vitesse de la réaction diminue. Les concentrations des réactifs sont un facteur cinétique : au cours du temps celles-ci diminuent. ( disparition des réactifs). Quel est le réactif limitant ? Justifier. La courbe tend vers une asymptote horizontale d'équation [Zn2+aq]fin ~0,25 mol/L ce qui correspond à xmax = [Zn2+aq]fin *v = 0,25*0,04 =0,01 mol/L. L'acide chlorhydrique est le réactif limitant. Si la réaction se poursuit jusqu' à son terme, quelle sera la masse de Zn transformée en Zn2+aq ? xmax =0,010 mol ; m = n M = 0,01*65,4 = 0,65 g.

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