devoir surveillé n° 6 – option pc -...

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Lycée Jean Dautet – La Rochelle - jeudi 28 avril 2016

CHIMIE PCSI

Devoir Surveillé n° 6 – option PC

Durée du devoir : 2 heures

CORRIGÉ DU DEVOIR

Problème 1 : Titrage d’une solution d’acide oxalique L'acide oxalique a pour formule brute H2C2O4. C’est un diacide carboxylique. Le permanganate de potassium libère en solution des ions potassium K+ et des ions permanganate MnO4-‐. La réaction entre l’acide oxalique et les ions permanganate fait l’objet d’études depuis plus de 150 ans. Cette transformation présente des caractéristiques cinétiques qui sont très étonnantes. La réaction étudiée depuis si longtemps, et grand classique des titrages de manganimétrie Les deux couples rédox en jeu sont MnO4-‐/ Mn2+ et CO2(g)/H2C2O4.

1) Ecrire la réaction, qui sera notée (R1), entre l’acide oxalique et les ions permanganate en milieu acide sachant que les ions MnO4-‐ sont réduits en ions Mn2+ et l’acide oxalique oxydé en CO2(g). on prendra des nombres stoechiométriques entiers les plus petits possibles. Ecrivons les deux demi-‐équations électroniques :

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• 2 CO2(g) + 2 H+ + 2 e-‐ = H2C2O4 • MnO4-‐ + 8 H+ + 5 e-‐ = Mn2+ + 4 H2O

Multiplions la première par (-‐5) et la seconde par 2 afin d’obtenir l’équation suivante :

2 MnO4-‐ + 5 H2C2O4 + 6 H+ = 2 Mn2+ + 10 CO2(g) + 8 H2O(l)

2) A partir des données, calculer la constante d’équilibre de la réaction (R1). Conclure. Utilisons l’unicité du potentiel d’électrode à l’équilibre pour calculer la constante d’équilibre :

𝐸1 = 𝐸°1+ 0,065 𝐿𝑜𝑔

𝑀𝑛𝑂!! 𝐻! !

𝑀𝑛!! 𝑐°!

𝐸2 = 𝐸°2+ 0,062 𝐿𝑜𝑔

𝑃!"!𝑃°

!𝐻! !

𝐻!𝐶!𝑂! 𝑐°

L’expression de la constante d’équilibre est :

𝐾° = 𝑃!"!𝑃°

!"𝑀𝑛!! !𝑐°!

𝐻!𝐶!𝑂! ! 𝑀𝑛𝑂!! ! 𝐻! !

Faisons en sorte d’avoir 10 électrons au dénominateur devant le facteur « Log » :

𝐸1 = 𝐸°1+ 0,0610 𝐿𝑜𝑔

𝑀𝑛𝑂!! ! 𝐻! !"

𝑀𝑛!! !𝑐°!"

𝐸2 = 𝐸°2+ 0,0610 𝐿𝑜𝑔

𝑃!"!𝑃°

!"𝐻! !"

𝐻!𝐶!𝑂! !𝑐°!

A l’équilibre, il y a unicité du potentiel d’électrode, soit :

𝐸1 = 𝐸°1+ !,!"!"𝐿𝑜𝑔 !"#!! ! !! !"

!"!! !!°!" = 𝐸2 = 𝐸°2+ !,!"

!"𝐿𝑜𝑔

!!"!!°

!"!! !"

!!!!!! !!°!

D’où : E°1 – E°2 = !,!"!" 𝐿𝑜𝑔!"#!! ! !! !"

!"!! !!°!"

!!"!!°

!"!"!!

!!°!

!!!!!! ! !"#!! ! !! !

On reconnaît K° dans la parenthèse : E°1 – E°2 = !,!"!" 𝐿𝑜𝑔 𝐾° 𝐿𝑜𝑔 𝐾° =!,!"

!"(E°1 – E°2 )

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𝐾° = 10!"!,!"(!°! – !°!)

A.N : K° = 10333,3 !!! La réaction est vraiment quantitative, elle est totale.

L’acide oxalique La figure ci-‐dessous représente les courbes de distribution de l’acide oxalique en fonction du pH pour une concentration totale en espèce égale à 0,200 mol.L-‐1 :

3) Attribuer à chaque courbe de la figure précédente l’espèce qui lui correspond et déterminer la valeur du pKA des couples acido-‐basiques impliqués. On précisera bien les couples impliqués. En milieu très acide, c’est la forme H2C2O4 qui prédomine, la forme HC2O4-‐ quand le pH augmente et enfin la forme C2O42-‐ en milieu très basique. D’où l’attribution des courbes :

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Prenons le couple H2C2O4/HC2O4-‐ pour lequel nous avons :

𝑝𝑯 = 𝒑𝑲𝑨𝟏+ 𝑳𝒐𝒈(𝑯𝑪𝟐𝑶𝟒−𝑯𝟐𝑪𝟐𝑶𝟒 )

pH est égal à pKA1 lorsque les concentrations de l’acide et de la base sont égales, ce qui est le cas à l’intersection des deux courbes correspondantes. La détermination des pKA s’effectue de cette manière :

Lors de la préparation d’une solution d’acide oxalique à la concentration 0,200 mol.L-‐1, on détermine une concentration en ions HC2O4-‐ à l’équilibre : [HC2O4-‐]éq = 85,0.10-‐3 mol.L-‐1.

HC2O4-H2C2O4

C2O42_

HC2O4-H2C2O4

C2O42_

pKA1

=1,2

pKA2

=4,2

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4) Déterminer le pH de la solution préparée.

Dans l’eau, l’acide oxalique est partiellement hydrolysé, selon la réaction :

H2C2O4 + H2O(l) = HC2O4-‐ + H3O+

Cette seule écriture montre que, à l’équilibre, [H3O+] = [HC2O4-‐] Ainsi :

pH = -‐Log(85,0.10-‐3) = 1,07 Les complexes manganèse-‐oxalate

5) Le numéro atomique de C est 6, celui de O est 8. Ecrire la formule de Lewis de l’ion oxalate (ou éthanedioate) C2O42-‐. Combien mesure-‐t-‐on de longueurs de liaisons CO différentes dans cet ion ? C possède 4 électrons de valence O possède 6 électrons de valence C2O42-‐ : 2x4+4x6+2 = 34 34/2 = 17 doublets d’électrons à répartir Comme il y a des délocalisations électroniques semblables sur chaque groupe carboxylate, alors toutes les liaisons CO sont identiques : on ne mesure qu’une seule longueur de liaisons dans cet anion.

6) Montrer que l’ion oxalate est un ligand bidenté, ou bidentate. Il est bidenté car il se lie au cation central en mettant en commun deux doublets libres d’électrons, portés par chaque groupe carboxylate –COO-‐.

On pourrait encore écrire d’autres formes mésomères.

7) La figure ci-‐dessous représente les courbes de distribution des complexes manganèse(III)-‐oxalate en fonction de pC2O4 = -‐log[C2O4]/c° pour une concentration totale en ions manganèse(III) égale à 5,00.10-‐4 mol.L-‐1.

P a g e %|%4"%

'

Exercice'2':'complexes"oxalatofer(III)"Le% graphe% ciKdessous% donne% le% diagramme% de% distribution% des% espèces% pour% les%complexes%oxalatofer(III)%des%ions%Fe3+en%fonction%de%pC2O4%=%K%Log([C2O42K]/c°)%

%

%

Les%courbes%tracées%représentent% le%pourcentage%de%chacune%des%espèces%contenant%du%fer(III)%lorsque%pC2O4%varie.%

La%structure%de%l’ion%oxalate%est%représentée%ciKdessous.%

C C

O

OO

O %

1) L’ion%oxalate%est%un%ion%bidentate.%Rappeler%ce%que%cela%signifie.%

L’ion%C2O42K%est%un%ligand%bidentate%car%il%se%lie%au%cation%central%en%mettant%en%commun%deux% doublets% libres% que% portent% deux% atomes% d’oxygène% (formation% de% liaison% de%coordination).%

Les%complexes%susceptibles%de%se%former%sont%les%suivants%:%[Fe(C2O4)]+,% %[Fe(C2O4)2]K%et%[Fe(C2O4)3]3K.%

%2) Nommer%le%dernier%complexe%et%en%donner%une%représentation%spatiale.%

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8) Attribuer chaque courbe aux espèces suivantes : [Mn(C2O4)3]3-‐ ; [Mn(C2O4)2]-‐ ; [Mn(C2O4)]+ ; Mn3+

Lorsque pC2O4 est grand, cela signifie que la concentration des ions oxalate est très très faible, donc lorsque pC2O4 est grand, les ions Mn3+ ne sont pas complexés. Plus pC2O4 diminue, plus ces ions seront complexés en étant entourés de ligands de plus en plus nombreux. D’où les attributions suivantes :

9) En déduire le diagramme de prédominance de ces complexes, ainsi que les constantes de formations successives. Rappel : La constante de formation successive 𝐾fi d’un

Log(Kf3)

=2,8- =10,0=6,6-

[Mn(C2O4)3]38- [Mn(C2O4)]+[Mn(C2O4)2]8- Mn3+

Log(Kf2) Log(Kf1)

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complexe est la constante d’équilibre de la réaction formant le complexe comportant 𝑖 ligands à partir du complexe en comportant 𝑖 − 1. L’intersection des courbes de Mn(C2O4)i(3-‐2i)/ Mn(C2O4)i-‐1(3-‐2(i-‐1)) donne, projetée sur l’axe des abscisses, pKfi. Nous en déduisons donc les valeurs des constantes pKfi et le diagramme de prédominance des complexes peut être tracé. Nous en déduisons, d’après le résultat précédent :

LogKf1 = 1010,0 LogKf2 = 106,6 LogKf3 = 102,8 Etude de YAMASHITA Lors de son étude, YAMASHITA a démontré qu’au cours de l’oxydation de l’acide oxalique, les ions permanganate réagissent en solution avec les ions Mn2+. Il est possible de s’appuyer sur le diagramme potentiel-‐pH du manganèse pour interpréter cette observation. Le diagramme potentiel-‐pH du manganèse est modifié en présence d’acide oxalique, et il a l’allure suivante (les conventions de tracées sont précisées sous le diagramme) :

10) Justifier à partir du diagramme l’observation de YAMASHITA, et écrire l’équation de la transformation qui montre la réaction entre les ions Mn2+ et MnO4-‐, en ne faisant intervenir que les espèces présentes dans les conditions de pH égal à 1. Deux équations sont possibles, une seule réponse est demandée. D’après ce diagramme, les domaines de prédominance de Mn2+ et MnO4-‐ sont disjoints.

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Par conséquent, ils réagissent ensemble et donnent : MnO2(s) si c’est le permanganate qui est en excès.

[Mn(C2O4)2]-‐ si ce sont les ions Mn2+ qui sont en excès Les réactions sont les suivantes :

• Formation de MnO2(s) (c’est une médiamutation) 2 MnO4-‐ + 3 Mn2+ + 2 H2O = 5 MnO2(s) + 4 H+

• Formation de [Mn(C2O4)2]-‐ (c’est aussi une médiamutation) MnO4-‐ + 4 Mn2+ + 10 C2O42-‐ + 8 H+ = 5 [Mn(C2O4)2]-‐ + 4H2O Ou, en disant que les ions oxalate sont apportés par l’acide oxalique : MnO4-‐ + 4 Mn2+ + 10 H2C2O4 + 8 H+ = 5 [Mn(C2O4)2]-‐ + 4H2O + 20 H+ Soit, finalement : MnO4-‐ + 4 Mn2+ + 10 H2C2O4 = 5 [Mn(C2O4)2]-‐ + 4H2O + 12 H+

11) Comment nomme-‐t-‐on ces complexes manganèse(III)-‐oxalate, qui sont présents

visiblement pendant le déroulement de la réaction (R1), mais qui n’apparaissent pas dans le bilan ? Ce sont des intermédiaires réactionnels.

Titrage d’une solution d’acide oxalique par une solution aqueuse acidifiée de permanganate de potassium. On titre VA= 10,0 mL d’une solution aqueuse (A) d'acide oxalique (de concentration CA) par une solution aqueuse acidifiée de permanganate de potassium à 2,50.10-‐3 mol.L-‐1.

12) Comment l'expérimentateur peut-‐il repérer l'équivalence lors de ce titrage ?

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A l’équivalence, la persistance de la couleur violette permettra le repérage, elle est due aux ions MnO4-‐ en excès.

13) Le volume versé à l’équivalence est Ve = 15,5 mL .Donner l’expression littérale puis la

valeur numérique de la concentration de la solution (A) d’acide oxalique. A l’équivalence : !{ !!!!!!,!"#é}

!= !{ !"#!!,!"#$é}

!

D’où : 𝑪𝑨𝑽𝑨𝟓

= 𝑪 𝑽𝒆𝟐

𝐶!. 10.10!!

5 =2,50.10!! . 15,5.10!!

2

CA = 9,7.10-‐3 mol.L-‐1

14) Quelles électrodes proposeriez-‐vous pour suivre ce titrage ? Il faut une électrode de référence, l’électrode au calomel saturée, ou celle au chlorure d’argent par exemple, Et une électrode de mesure, ici l’électrode inattaquable de platine.

15) Lorsque l’on fait le titrage, pour les premiers millilitres versés de solution de permanganate de potassium, on constate que le milieu réactionnel garde une coloration violette, qui disparaît seulement après quelques instants. En revanche, si la solution d’acide oxalique a été chauffée au préalable ou si l’on ajouté avant le titrage quelques gouttes d’une solution de nitrate de manganèse (Mn2+, 2 NO3-‐) dans le bécher, la décoloration est immédiate, dès les premières gouttes versées. Proposer une explication pour toutes ces observations expérimentales. Il y a visiblement un problème cinétique, la réaction est lente. On augmente la vitesse : -‐soit en chauffant la solution -‐soit en utilisant un catalyseur, comme semblent l’être les ions Mn2+. Comme ces ions sont un des produits de la réaction, on dit que la réaction est autocatalysée.

Données : Constante des gaz parfaits R = 8,314 J.K-‐1.mol-‐1. On note T la température en Kelvin, 0,00 °C correspond à 273,15 K. À 25 °C : Produit ionique de l’eau pKe = 14,0 Potentiel standard (à pH = 0) E°1 = E°(MnO4-‐(aq)/Mn2+(aq)) = 1,51 V E°2 = E°(CO2(g)/H2C2O4(aq))= -‐ 0,49 V (RTln10)/F = 0,06 V

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Problème 2 : L’aluminium au quotidien La croûte terrestre contient 7,5 % d'aluminium. C'est le métal le plus utilisé sur la planète après le fer. La production mondiale progresse chaque année, atteignant 100 tonnes par jour. Ce sujet a pour but d'illustrer quelques aspects de la chimie de ce métal familier. Les quatre parties sont indépendantes.

Données Constantes :

Constante d'Avogadro : NA = 6,02.1023 mol-1

Constante des gaz parfaits : R = 8,31 J.K-1.mol-1

Constante de Faraday : F = 96 500 C.mol-1

Masses molaires en g.mol-1 :

H : 1,0 O : 16,0 Al : 27,0 En solution aqueuse, à 298 K :

Potentiels standard à pH = 0 : Al3+(aq)/Al(s) : E°1 = - 1,66 V

O2(g) /H2O(l) : E°2 = 1,23 V H+

(aq)/H2(g) : E°3 = 0,00 V Produit ionique de l'eau : Ke = 10-14

Constante d'acidité : H2CO3(aq)/HCO3-(aq) : Ka = 10-6,2

Relation entre K et °C : T(K) = θ(°C) + 273

Partie A. Propriétés de l'atome d'aluminium L'aluminium est un élément chimique de symbole Al et de numéro atomique 13. 1) Que représente le numéro atomique d'un élément ?

Le numéro atomique Z représente le nombre de protons du noyau. Il caractérise un élément chimique.

2) Donner la configuration électronique de l'atome d'aluminium dans son état fondamental. Identifier les sous-‐couches de coeur et de valence. Configuration électronique de Al : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 Electrons de cœur : 1s2 2s2 2p6 Electrons de valence : 3s2 3p1

3) Donner, en justifiant, l'ion le plus probable pour l'élément aluminium. L’aluminium va facilement céder ses 3 électrons de valence, donnant l’ion Al3+.

Partie B. Utilisation de l'aluminium métallique dans l'industrie automobile L'aluminium comme source d'énergie Depuis quelques années, les piles aluminium/air sont des sources d'énergie à l'étude pour la propulsion des véhicules électriques. Cette technologie repose sur l'association en série de plusieurs dizaines de cellules. Chaque cellule peut être décrite de façon simplifiée :

-‐ Le pôle -‐ correspond à l'anode, en aluminium métallique Al(s) -‐ Le pôle + correspond à la cathode où se produit la réduction du dioxygène O2(g)

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Un électrolyte basique assure la jonction entre les deux compartiments. La température de fonctionnement est de 60 °C. Les couples rédox sont les suivants :

-‐ Al(OH)3(s)/Al(s) : Al(OH)3(s) + 3e-‐ = Al(s) + 3OH-‐(aq) E°a = -‐ 2,30 V -‐ O2(g)/H2O(l) : O2(g) + 2H2O(l) + 4e-‐ = 4OH-‐(aq) E°c = 0,39 V 4) Ecrire l’équation de la réaction modélisant la transformation chimique lorsque la pile

débite. Le nombre sotechiométrique de Al sera pris égal à 4. L’aluminium est oxydé : Al(s) + 3OH-‐(aq) = Al(OH)3(s) + 3e-‐ Le dioxygène est réduit : O2(g) + 2H2O(l) + 4e-‐ = 4OH-‐(aq) L’équation de la réaction est :

4 Al(s) + 3 O2(g) + 6 H2O(l) = 4 Al(OH)3(s)

5) Donner l'expression littérale de la constante d'équilibre associée K°. L’expression de la constante est :

𝐾° = 1

𝑃!!𝑃°

!

Le calcul montre que cette constante K° est très grande.

6) Le compartiment anodique contient initialement 25 g d'aluminium : calculer l'avancement maximal de la réaction.

• 25 g d’aluminium corresponde à 25/27 = 0,93 mol. A la date t, la quantité de matière d’aluminium restant est nAl = nAl,0 – 4.ξ Il ne reste plus d’aluminium lorsque l’avancement maximal ξmax est atteint : ξmax = nAl,0 / 4 = 0,2325 soit environ 0,23 mol : ξmax = 0,23 mol.

7) En réalité, l'avancement maximal n'est pas atteint. En moyenne, une cellule délivre une quantité d'électricité Q = 2,1.105 C ainsi qu'une intensité de 6,5 A. En déduire :

-‐ la durée de fonctionnement du dispositif -‐ le pourcentage d'aluminium non consommé.

Comme Q = I.ΔT, la durée de fonctionnement de la pile est : ΔT = Q/I Q = 2,1.105/6,5 = 3,23.104 s = 8 h 58 min La quantité d’électricité transférée est Q. A l’anode, nous avons 3 électrons cédés par atome d’aluminium, soit 3F C par mol d’Al. Ici, il y a eu Q/F mol d’électrons transférés soit : Q/3F mol d’aluminium oxydé . La masse d’aluminium oxydé est donc : m = Q.Mal/3F m = 2,1.105 x 27 / 3x96500 = 19,6 g Le pourcentage de Al consommé vaut donc : 19,6/27 = 72,6 %

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Partie C. Présence d'aluminium (III) dans un vaccin L'aluminium (III) est utilisé comme adjuvant dans la plupart des vaccins (tétanos, coqueluche, hépatite B ...). Son rôle est d'activer la production d'anticorps. Cependant, une surdose de ce métal peut s'avérer nocive pour des personnes fragiles. Il est donc important de savoir sous quelle forme se trouve l'aluminium dans les vaccins afin de pouvoir le doser. Diagramme potentiel-pH de l'élément aluminium Le diagramme E-pH de l'élément aluminium est tracé sur l'annexe 2 du document-réponse, à rendre avec la copie. Il a été établi en tenant compte des espèces : Al(s), Al3+

(aq), Al(OH)3(s) et Al(OH)4-(aq).

La concentration totale en aluminium dissous CT est égale à 1,0.10-3 mol.L-1. 8) Déterminer les degrés d'oxydation de l'élément aluminium dans les espèces suivantes: :

Al(s), Al3+(aq), Al(OH)3(s) et Al(OH)4-‐(aq).

Espèce Degré d’oxydation Al(s) 0 Al3+(aq) + III

Al(OH)3(s) + III Al(OH)4-‐(aq) + III

9) Montrer que Al(OH)3(s) est la base du couple Al3+(aq) / Al(OH)3(s) et l’acide du couple

Al(OH)3(s) / Al(OH)4-‐(aq). Comment qualifie-‐t-‐on une espèce qui a ces propriétés ? Al3+(aq) + 3 H2O(l) = Al(OH)3(s) + 3 H+ Al3+(aq) est donc un acide car il fait céder 3 protons au solvant. (mais attention, il les fait céder sans les prendre, ce n’est donc pas du tout une base !). Al(OH)3(s) prend 3 protons, c’est une base dans ce couple. Al(OH)3(s) + H2O(l) = Al(OH)4-‐(aq) + H+(aq) Al(OH)3(s) est capable de céder un proton, c’est un acide. Al(OH)3(s) possédant à la fois des propriétés acides et des propriétés basiques est une espèce amphotère.

10) En vous aidant de la réponse à la question précédente, attribuer l'espèce chimique

correspondant à chaque domaine du diagramme E-‐pH en utilisant l'annexe 1 du document réponse. Justifier la réponse. Nous venons de remarquer que Al3+ est un acide, dont la base conjuguée est l’hydroxyde d’aluminium, lui-‐même acide conjugué de Al(OH)4-‐. Par conséquent, nous pouvons dresser le petit tableau prévisionnel et attribuer ensuite chaque domaine à une espèce :

d.o III Al3+(aq) Al(OH)3(s) Al(OH)4-‐ 0 Al(s) pH

Ainsi, les domaines peuvent être facilement attribués :

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11) Indiquer si chacun des domaines est un domaine d’existence ou bien un domaine de prédominance. S’agissant des espèces en solution aqueuse, il s’agit de domaines de prédominance S’agissant des espèces solides, il s’agit de domaine d’existence On peut remarquer ici que quelque soit les couples, chaque frontière va correspondre à l’apparition d’un solide.

12) En exploitant le diagramme, retrouver la valeur numérique du potentiel standard E°1 du

couple Al3+(aq)/Al(s). Demi-‐équation électronique Al3+(aq)/Al(s) : Al3+(aq) + 3 e-‐ = Al(s)

Et E = E°(Al3+(aq)/Al(s)) + (0,06/3°.Log([Al3+]/c°) Sur la frontière, [Al3+] = CT : E = E°(Al3+(aq)/Al(s)) + (0,06/3).Log([Al3+]/c°) E = E°(Al3+(aq)/Al(s)) + (0,06/3).Log(CT/c°) Utilisons les coordonnées du point A : -‐1,72 = E°(Al3+(aq)/Al(s)) + (0,06/3).Log(1,0.10-‐3) -‐1,72 = E°(Al3+(aq)/Al(s)) -‐ 0,06 E°(Al3+(aq)/Al(s)) = 1,66 V c’est bien ce que fournit l’énoncé

Un vaccin est une solution aqueuse de pH proche du pH sanguin. Le sang est un mélange contenant notamment de l'acide carbonique H2CO3(aq) et des ions hydrogénocarbonate HCO3

-(aq) en

concentrations moyennes respectives 0,0014 mol.L-1 et 0,027 mol.L-1.

13) D'où proviennent les espèces carbonées présentes dans le sang ? Les espèces carbonées proviennent du CO2 que nous expirons, celui provenant de l’oxydation des molécules carbonées qui permettent d’avoir l’énergie dont nous avons

Al3+(aq) Al(OH)3(s) Al(OH)4-(aq)

Al(s)

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besoin. Ce CO2 est le produit des réactions de combustion qui ont lieu dans nos cellules, l’oxydant étant le dioxygène.

14) En considérant le couple H2CO3(aq) / HCO3-‐(aq), donner une valeur du pH du sang. De la relation : 𝑝𝐻 = 𝑝𝐾𝐴1+ 𝐿𝑜𝑔( !"!!!

!!!"!)

Alors : 𝑝𝐻 = 𝑝𝐾!! + 𝐿𝑜𝑔(

!,!"#!,!!"#

)

pH = 7,48

15) En déduire la forme prédominante de l'aluminium (III) dans le vaccin. La forme qui prédomine est la forme Al(OH)3(s), qui est utilisé en suspension dans le vaccin.

Titrage de l'aluminium (III) : titrage préalable de l’acide chlorhydrique Une méthode possible de titrage de l'aluminium (III) en solution aqueuse consiste à acidifier la solution à titrer par de l'acide chlorhydrique afin de convertir l'aluminium (III) en ions Al3+

(aq). Puis, on titre cette solution acidifiée d'ions Al3+

(aq) par de la soude. Les mesures sont réalisées à une température de 298 K. Titrage 1 : titrage d'une solution d'acide chlorhydrique {H3O+

(aq) + Cl-(aq)} - Protocole : Un volume V0 = 20,0 mL d'une solution d'acide chlorhydrique {H3O+

(aq) + Cl-(aq)} de concentration molaire C1 est titré par une solution de soude {Na+

(aq) + OH-(aq)} de concentration

C = 1,0.10-1 mol.L-1. Le titrage est suivi par pHmétrie. La courbe est donnée sur le document-réponse (annexe 2), à rendre avec la copie.

16) Ecrire l'équation de réaction mise en jeu lors de ce titrage et calculer la constante d'équilibre associée. La réaction de titrage est celle de l’acide fort qui réagit avec la base forte :

H3O+(aq) + OH-

(aq) = 2 H2O(l) La constante d’équilibre est K° = 1/Ke = 1,0.1014

17) A l'aide d'une construction graphique, à faire apparaître sur l'annexe 2 du document réponse, déterminer le volume équivalent Ve. Utilisons la méthode des tangentes parallèles, et dans le cas d’un tel titrage, le saut étant vertical, on peut également utiliser le réticule du logiciel d’acquisition, ou bien ici la règle pour repérer la verticale et donc le point équivalent.

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18) En déduire la valeur de la concentration molaire C1 de la solution d'acide chlorhydrique. A l’équivalence : n{H3O+

(aq) dosé} = n{HO-(aq) versé}

A.N : C1.V0 = C.Ve C1 = 1,0.10-1 x 10,0 / 20,0 = 5.10-2 mol.L-1

19) L'équivalence aurait pu être repérée à l'aide d'un indicateur coloré acido-basique. En vous aidant du tableau ci-dessous, proposer, en justifiant, un indicateur coloré adapté à ce titrage et préciser le changement de couleur observé. A l’équivalence, le pH est voisin de 7 (totalement prévisible car nous dosons un acide fort par une base forte). Alors, l’indicateur dont la zone de virage encadre bien la valeur 7 est le Bleu de Bromothymol.

Indicateur coloré acido- basique

Couleur de la forme acide

Zone de virage

Couleur de la forme basique

Bleu de bromophénol Jaune 3,0 - 4,6 Violet Hélianthine Rouge 3,1 - 4,4 Jaune

Vert de bromocrésol Jaune 4,0 - 5,6 Bleu Bleu de bromothymol Jaune 6,2 - 7,6 Bleu

Phénolphtaléine Incolore 8,0 - 10,0 Rouge

VE = 10,0 mL

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Annexe 1 : Diagramme E-pH de l'aluminium à 298 K

Concentration de tracé : CT = 1,0.10-3 mol.L-1

Coordonnées des points : A : (0,0 ; - 1,72) B : (4,3 ; - 1,72)

Annexe 2 : Evolution du pH lors du titrage d'une solution d'acide chlorhydrique (C1) par de la soude (C)

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