III. Transformations de la matière. 1. Outils de description dun système 1.1 Introduction a) TP n°9 b) TP n°10 c) Exercice de préparation

III. Transformations de la matière

1. Outils de description d’un système

1.1 Introduction

a) TP n°9

b) TP n°10

c) Exercice de préparation

1.1 Introduction

c) Exercice de préparationExercice 1

On définit la « botte » comme le nombre de lentilles présentes dans 1kg.

Une lentille a une masse d’environ 3.10-2 g.

1. Combien y a-t-il de lentilles dans une « botte » ?

2. Combien de « bottes » représentent 8 kg de lentilles

Un haricot a une masse d’environ 9.10-1g.

3. Quelle est la masse d’une « botte » de haricots ?

1.2 De l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique : la mole

a)PrésentationLe nombre d’atomes présents dans une poignée de matière est très grand, donc difficile à manipuler.

Il est intéressant de définir une quantité de référence, plus simple à manipuler dans les calculs.

On prend comme référence le nombre d’atomes contenus dans 12g de carbone 12

Calculer ce nombre sachant que la masse d’un atome de 12C est 1,993.10-26 kg

On l’appelle Nombre d’Avogadro et on le note Na.

12.10-3 / 1,993.10-26 = 6,02.1023


b) DéfinitionOn appelle « mole » une quantité égale à 6,02.1023 atomes. On le note n. On parle de quantité de matière

Symbole abrégé :

On peut écrire 8 moles ou 8 mol

c) ApplicationsExercice 2

1.Combien y a-t-il d’atomes de soufre dans 8 moles d’atomes de soufre ? Dans 0.35 mol ?

2.Combien de moles représentent 7,36.1027 atomes ? 9,64.1032 ? 1,22.1021 ?


c) ApplicationsExercice 3

Une mine de crayon est en graphite. C’est une matière composée uniquement d’atomes de carbone.

1.Calculer le nombre d’atome de carbone présents dans cette mine sachant que la masse d’un atome de carbone est d’environ 2.10-26kg et que la mine à une masse de 1,2g

2. Un lingot d’or a une masse de 1kg. Calculer le nombre de moles d’or présentes dans une lingot, sachant que la masse d’un atome d’or est de 3,3.10-25kg

d) Masse molaireExercice 4 :

Calculer la masse d’une mole d’hydrogène, d’azote, d’oxygène, de soufre au gramme près.

Données :

Comme une mole est un nombre fixe d’atomes, la masse d’une mole va varier en fonction de l’élément.

La masse molaire d’un élément est la masse d’une mole de cet élément. Elle est notée M. Son unité est g.mol-1

Remarque : La masse molaire est proche du nombre de nucléons de l’atome.

Elément Hydrogène Azote Oxygène Soufre

Masse atome (kg) 1,67.10-27 2,33.10-26 2,67.10-26 5,34.10-26

Masse d’une mole : 1 g 14 g 16 g 32 g

e) Masse molaire moléculaireOn peut aussi parler d’une mole molécules, c’est un groupe de

6,02.1023 molécules.

On calcule la masse molaire moléculaire en additionnant les masses molaires atomiques des atomes constituant la molécule.

Exercice 5 :

Le propane et le butane sont deux gaz utilisés pour la cuisine.Leurs formules brutes sont respectivement C3H8 et C4H10.

Données : MH = 1 g.mol-1 MC = 12 g.mol-1

1. Calculer la masse molaire moléculaire de ces deux gaz.

2. Une bouteille de gaz contient 6kg de butane ou 5 kg de propane. A combien de moles cela correspond-il ?

f) Volume molaire

Le volume d’une mole de gaz ne dépend que de la température et de la pression. Dans les conditions du laboratoire (15°C, pression atmosphérique), une mole de gaz occupe un volume de 24 L.

On dit alors que le volume molaire du gaz est de 24 L.mol-1.

Application : Quels sont les volumes occupés à l’air libre par le butane et le propane de l’exercice 5 ?

Exercice 6 :1. Calculer la quantité de matière de dioxygène contenue dans une fiole

de 50 mL dans les conditions de température et de pressions normales.

2. Quel volume occuperait ce gaz à 0°C ? à 60°C ?

Données : Vm(15°C) = 24,0 L.mol- Vm(0°C) = 22,7 L.mol-1 Vm(60°C) = 27,7 L.mol-1

1.3 Concentration d’une solution

a) Le TP

b) La dissolution

Solvant

Soluté

Solution

dissolution

Un soluté est une espèce chimique dissoute dans un liquide.Ce liquide est appelé solvant.Après dissolution, le soluté peut être sous forme de molécules ou sous forme d’ions.

On parle de solution aqueuse si le solvant est l’eau.


c) La concentration molaire moléculaire

Exercice 7 :

Une solution aqueuse de volume V = 13 L contient une quantité n = 2 mol d’éthanol.Quelle quantité de matière d’éthanol contient 1 L de cette solution ?

Définition :

La concentration d’une solution correspond au rapport entre la quantité de matière en soluté et le volume de la solution.

Elle s’exprime en mol.L-1.


c) La concentration molaire moléculaire

Exercice 8 :

1.Une solution aqueuse est préparée en diluant 1,5.10-2 mol de chlorure de sodium dans 50 mL d’eau. Quelle est la concentration molaire moléculaire en chlorure de sodium de cette solution ?

2.Quelle quantité de matière d’éthanol contient une solution aqueuse de volume 17 L et de concentration molaire moléculaire en éthanol de 3,70.10-1 mol.L-1 ?

1.3 Concentration d’une solutiond) Préparer une solution par dissolution

Problème : On aimerait réaliser une solution de concentration C (mol.L-1) et de volume V (L) d’un soluté A.

Première partie :On commence par calculer la quantité de matière n (mol) de soluté A dont on aura besoin, par application de la proportionnalité.Une concentration C signifie que : → 1LDans la solution cela donne : n →

On a donc la relation n = C x V

CV

Seconde partie :Il faut maintenant prélever la quantité de A nécessaire, on peut pour cela utiliser la masse molaire de A notée MA (g.mol-1) et prélever par pesée. On cherche donc la masse m (g) de soluté A à peser.Une masse molaire MA signifie que : → 1 molPour le soluté A cela donne : m →

On a donc la relation m = n x MA

MA

n

1.3 Concentration d’une solutione) Préparer une solution par dilution

Problème : On aimerait réaliser une solution S de concentration C (mol.L-1) et de volume V (L) d’un soluté A. On dispose déjà d’une solution S0 de A mais elle est trop concentrée (C0 > C ). On va donc la diluer.

Première partie :On commence par calculer la quantité de matière n (mol) de soluté A dont on aura besoin pour la solution S, par application de la proportionnalité.Une concentration C signifie que : → 1LDans la solution cela donne : n →

On a donc la relation n =

CV

C x V

Seconde partie :Il faut maintenant prélever la quantité n de A nécessaire dans la solution mère S0. Pour trouver le volume V0 à prélever, on utilise la concentration molaire moléculaire C0 de la solution A.Une concentration molaire C0 signifie que : → 1 LPour le soluté A cela donne : → V0

On a donc la relation V0 =

C0

n

n / C0

Exercices

Exercice 10 : Nourriture des abeillesPendant l’automne et l’hiver, les apiculteurs complètent la nourriture des abeilles par des apports d’une solution concentrée de glucose C6H12O6 : 1

kg d’eau pour 1 kg de glucose. Le volume de la solution obtenue est de 1,72L.

1. Quelle quantité de matière représente une masse de 1kg de glucose ?2. Quelle est la concentration molaire moléculaire de la solution de glucose ?

Exercice 11 : Préparation d’une solution de propanolEn utilisant une burette graduée, on veut préparer un volume V = 500mL d’une solution aqueuse de propanol C3H8O, de concentration molaire C =

0,075 mol.L-1. La densité du propanol est d = 0,803.

1. Calculer la masse molaire moléculaire du propanol.2. Calculer la masse de propanol à prélever.3. Calculer le volume de propanol à introduire dans la fiole jaugée de 500mL.4. Détailler le protocole de la préparation.

2. Transformation chimique d’un système2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimique

Exercices préparatoiresUne bataille gagnée d’avance…

Une bataille va opposer l’armée du Duc de Montmirail à celle du baron de l’Escalette. Chaque armée a ses particularités:

Pourriez-vous dire quelle armée à l’avantage sachant qu’un archer vaut deux fantassins et qu’un chevalier vaut un archer plus un fantassin ?

Montmirail Escalette

Fantassins 1500 1100

Archers 500 680

Chevaliers 500 520

Total 2500 2300

2. Transformation chimique d’un système2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimiquea)Création d’un nouveau sandwich

Ingrédients Big Dalle

Stock

Feuilles de salade 3 513

Tomates 1 216

Pains ronds 1 456

Steaks hachés 2 254

Oignons 0 842

Pains de poisson 0 123

Combien de « Big Dalle » peut-on fabriquer avec le stock ?

Que reste-t-il en fin de journée ?

Quel est l’ingrédient limitant ?

456/1 = 456 sandwichs216/1 = 216 sandwichs513/3 = 171 sandwichs254/2 = 127 sandwichs

2. Transformation chimique d’un système2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimiquea)Création d’un nouveau sandwichUne façon de résoudre le problème :

Pour préparer un sandwich, il faut :

-1 pain rond-1 tomate-3 feuilles de salade-2 steaks hachés

Dans le stock on a:

- 456 pains ronds- 216 tomates- 513 feuilles de salade- 254 steaks hachés

On peut donc préparer au maximum :

-Avec les pains ronds : -Avec les tomates :-Avec les feuilles de salade :-Avec les steaks hachés :

Les steaks hachés sont l’ingrédient limitant !

2. Transformation chimique d’un système2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimiquea)Création d’un nouveau sandwichQue reste-t-il en fin de journée ?

Les steaks hachés sont l’ingrédient limitantOn pourra fabriquer 127 sandwichs

Il va donc falloir :

127x1 = 127 pains ronds127x1 = 127 tomates127x2 = 254 steaks hachés127x3 = 381 feuilles de salade

Il restera en fin de journée:

456-127 = 329 pains ronds216-127 = 89 tomates254-254 = 0 steaks hachés513-381 = 132 feuilles de salade

2. Transformation chimique d’un système2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimiqueb)Le tableau d’avancementY a-t-il une autre manière de résoudre le problème ?

1 pain rond + 1 tomate + 2 steaks + 3 feuilles

1 Big Dalle

456 216 254 513 0Stock initial

456-1x1 216-1x1 254-2x1 513-3x1 1Stock restant



456-1xn 216-1xn 254-2xn 513-3xn nStock restant

456-1x127= 329

216-1x127= 89

254-2x127= 0

513-3x127= 132

127Stock final

… … … … … …

… … … … … …

… … … … … …

2. Transformation chimique d’un système2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimiquec)Le bilan de matièreL’inventaire des stocks initiaux et finaux

Etat initial Etat final

Feuilles de salade 513

Tomates 216

Pains ronds 456

Steaks hachés 254

Oignons 842

Pains de poisson 123

Big Dalle 127

Feuilles de salade 123

Tomates 89

Pains ronds 329

Steaks hachés 0

Oignons 842

Pains de poisson 123

« Réactifs »

« Espèces spectatrices »

« produits »

« réactifs en excès »

« réactif limitant »

2. Transformation chimique d’un système2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimiqued)Application au TP 14Etude de la réaction chimique

Réactifs :• l’acide noté HA • NaHCO3 (Na+, HCO3

- en solution)

Produits :• Dioxyde de carbone CO2

• eau H2O• ions A- , Na+

Equation de réaction :

1HA + 1HCO3- + 1Na+ 1CO2 + 1H2O + 1A- + 1Na+1HA + 1HCO3

- 1CO2 + 1H2O + 1A-

E. initial

E. final

E. inter.

0 0 05,95.10-2

x x x5,95.10-2 - ….

…

…

… …………

Correction TP 14

Equation de la réaction

Etat du systèmeAvancement

(en mol)Quantités de matière en moles

Etat initial 0

Etat intermédiaire x

Etat final xf

1. Ecrire l’équation bilan de la réaction dans le tableau2. Remplir la première ligne avec les quantités initiales3. Remplir les lignes suivantes avec x et xf

4. Rechercher xf en fonction des quantités initiales

Si Vvinaigre = 10mL, alors nHA = 1,33.10-2 molDans tous les cas nHCO3- = 5,95.10-2 mol

HA + HCO3- CO2 + H2O + A-

1,33.10-2 5,95.10-2 0 0 0

1,33.10-2-x 5,95.10-2-x x x x

1,33.10-2-xf 5,95.10-2-xfxf xf xf

1,33.10-2 – xf = 0 donc xf = 1,33.10-2 mol5,95.10-2 – xf = 0 donc xf = 5,95.10-2 mol

= 0 = 4,62.10-2 = 1,33.10-2 ’’ ’’

2. Transformation chimique d’un système2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimiquee) Applications à des transformations chimiques

Réaction entre les ions Cu2+ et les ions OH-.

Système étudié :

Le Grand Schtroumpf mélange:

100 mL d’une solution contenant des ions cuivre Cu 2+ de concentration C égale à 0,20 mol/L

avec une solution contenant 5,0.10-2

mol d’ions hydroxyde OH-

Comment évolue le système ?

Evolution du système :

On observe l’apparition d’un précipité d’hydroxyde de

cuivre de formule Cu(OH)2.

Tout le monde est prêt ?

1. Ecrivez l’équation-bilan de la réaction2. Remplissez le tableau d’avancement




Etat initial 0


Etat final xf

L’équation bilan :

Le Grand Schtroumpf a mélangé des ions Cu2+ à des ions OH- et a obtenu un précipité de Cu(OH)2.

La réaction est donc :Cu2+ + 2OH- Cu(OH)2




Etat initial 0


Etat final xf

Cu2+ + 2OH- Cu(OH)2

Utilisation des données:Quelles quantités de produit le Grand Schtroumpf a mélangé ?

Cu2+ : V = 100 mL , C = 0,20 mol/Ldonc nCu2+ = 0,10 x 0,20 = 2,0.10-2 molOH- : nOH- = 5,0.10-2 mol




Etat initial 0


Etat final xf

Cu2+ + 2OH- Cu(OH)2

2,0.10-2 5,0.10-2 0

Introduction de l’avancement :




Etat initial 0


Etat final xf

Cu2+ + 2OH- Cu(OH)2

2,0.10-2 5,0.10-2 0

On introduit dans la deuxième ligne l’avancement x …

… Et dans la dernière l’avancement final xf !

2,0.10-2 - x 5,0.10-2 -2x x

2,0.10-2 - xf 5,0.10-2 -2xfxf

Calcul de l’avancement final xf

Moi, j’aime pas les équations !Pour Cu2+ :2,0.10-2 – xf = 0Donc xf = 2,0.10-2 mol

Pour OH- :5,0.10-2 – 2 xf = 0Donc xf = 2,5.10-2 mol

Cu2+ est donc le réactif limitantet xf = 2,0.10-2 mol

Etat final

On peut maintenant compléter la dernière ligne !




Etat initial 0


Etat final xf

Cu2+ + 2OH- Cu(OH)2

2,0.10-2 5,0.10-2 0

2,0.10-2 - x 5,0.10-2 -2x x

2,0.10-2 - xf 5,0.10-2 -2xfxf

= 0 = 1,0.10-2 = 2,0.10-2

On peut représenter graphiquementLes quantités en fonction de l’avancement

5

4

3

2

1

0

Quantités de matière x 10-2 mol

Avancement x 10-2 mol

Fin de la réaction

nOH-

nCu2+

nCu(OH)2

Pour aller plus loin !

Déterminons la masse d’hydroxyde de cuivre obtenue dans l’état final

Il faut déterminer la masse molaire de l’hydroxyde de cuivre(II)

Données en g/mol : MCU= 63,5; MO = 16 et MH = 1

On détermine alors M = 63,5 + 2x16 + 2x1 = 97,5 g/mol

Il faut relier masse, quantité de matière et masse molaire.

On a donc m = n.M

Passons à l’application numérique :

On a alors m = 0,020x97,5 = 1,95 g


Création de l’alumine :

L’aluminium Al au contact du dioxygène O2 de l’air se transforme en alumine Al2O3.

1. Ecrire l’équation bilan.2. Construire le tableau d’avancement.

On aimerait connaître le volume de dioxygène nécessaire pour transformer 50g d’aluminium en alumine.

3. A quelle quantité de matière d’aluminium cela correspond-il ?4. Quelle quantité de matière de dioxygène est donc nécessaire ?5. Quel volume cela représente-t-il ?

Données : MAl = 27 g.mol-1 Vm = 24L.mol-1


Combustion du méthane

Le méthane CH4 est un gaz présent dans le gaz naturel. En brûlant au contact du dioxygène O2 de l’air, il forme du dioxyde de carbone CO2 et de l’eau H2O.

1. Ecrire l’équation bilan.2. Construire le tableau d’avancement.

On fait brûler 20 L de méthane, on voudrait calculer la masse de CO2 produite.

3. A quelle quantité de matière de méthane cela correspond-il ?4. Quelle quantité de matière de CO2 est donc produite ?5. Quelle masse cela représente-t-il ?

Données : MC = 12 g.mol-1 MO = 16 g.mol-1 Vm = 24L.mol-1

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III. Transformations de la matière. 1. Outils de description dun système 1.1 Introduction a) TP n°9 b) TP n°10 c) Exercice de préparation