III. Transformations de la matière

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 préparation
Exercice 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) Présentation
Le 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
12.10-3 / 1,993.10-26 = 6,02.1023
On l’appelle Nombre d’Avogadro et on le note Na.
1.2 De l’échelle microscopique à l’échelle
macroscopique : la mole
b) Définition
On 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) Applications
Exercice 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 ?
1.2 De l’échelle microscopique à l’échelle
macroscopique : la mole
c) Applications
Exercice 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 molaire
Exercice 4 :
Calculer la masse d’une mole d’hydrogène, d’azote, d’oxygène, de
soufre au gramme près.
Données :
Elément
Masse atome (kg)
Masse d’une mole :
Hydrogène
Azote
Oxygène
Soufre
1,67.10-27
2,33.10-26
2,67.10-26
5,34.10-26
1g
14 g
16 g
32 g
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.
e) Masse molaire moléculaire
On 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
Solution
Soluté
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.
1.3 Concentration d’une solution
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.
1.3 Concentration d’une solution
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 solution
d) 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.
Seconde partie :
Première
On
Il
faut
commence
maintenant
parprélever
calculerlalaquantité
quantitéde
deAmatière
nécessaire,
n (mol)
on de
peut
soluté
pourAcela
-1) et prélever par pesée.
dont onlaaura
utiliser
masse
besoin,
molaire
par de
application
A notée M
deA (g.mol
la proportionnalité.
Unecherche
On
concentration
donc laCmasse
signifiemque
(g) :de soluté
→
1L
C A à peser.
M
Dansmasse
Une
la solution
molaire
celaMdonne
: que :
nA
→
1Vmol
A signifie
Pour le soluté A cela donne :
m
→
n
On a donc la relation n = C x V
On a donc la relation m = n x MA
1.3 Concentration d’une solution
e) 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.
Seconde partie :
Première
On
Il
faut
commence
maintenant
parprélever
calculerlalaquantité
quantiténde
dematière
A nécessaire
n (mol)dans
de soluté
la solution
A
dont on
mère
S0.aura
Pourbesoin
trouver
pour
le volume
la solution
V0 àS,prélever,
par application
on utilise
delalaconcentration
proportionnalité.
molaire
moléculaire C0 de la solution A.
Une concentration molaire
C signifie
C0que
signifie
:
queC:
→ C0 →
1L
1L
Dans le
Pour
la soluté
solution
A cela
cela donne
donne ::
n
→ n →
V0
V
n /xCV0
On a donc la relation nV=
0 =C
Exercices
Exercice 10 : Nourriture des abeilles
Pendant 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 propanol
En 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 système
2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimique
Exercices préparatoires
Une 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:
Montmirail
Escalette
Fantassins
1500
1100
Archers
500
680
Chevaliers
500
520
Total
2500
2300
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 ?
2. Transformation chimique d’un système
2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimique
a) 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 ?
2. Transformation chimique d’un système
2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimique
a) Création d’un nouveau sandwich
Une façon de résoudre le problème :
Pour préparer un sandwich, il faut :
Dans le stock on a:
-1 pain rond
-1 tomate
-3 feuilles de salade
-2 steaks hachés
- 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 :
456/1 = 456 sandwichs
216/1 = 216 sandwichs
513/3 = 171 sandwichs
254/2 = 127 sandwichs
Les steaks hachés sont l’ingrédient limitant !
2. Transformation chimique d’un système
2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimique
a) Création d’un nouveau sandwich
Que reste-t-il en fin de journée ?
Les steaks hachés sont l’ingrédient limitant
On pourra fabriquer 127 sandwichs
Il va donc falloir :
Il restera en fin de journée:
127x1 = 127 pains ronds
127x1 = 127 tomates
127x2 = 254 steaks hachés
127x3 = 381 feuilles de salade
456-127 = 329
216-127 = 89
254-254 = 0
513-381 = 132
pains ronds
tomates
steaks hachés
feuilles de salade
2. Transformation chimique d’un système
2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimique
b) Le tableau d’avancement
Y a-t-il une autre manière de résoudre le problème ?
1 pain rond + 1 tomate + 2 steaks + 3 feuilles
Stock initial
456
216
254
513
1 Big Dalle
0
Stock restant
456-1x1
216-1x1
254-2x1
513-3x1
1
Stock restant
456-1x2
216-1x2
254-2x2
513-3x2
2
…
…
…
…
…
…
Stock restant
…
456-1x50
…
216-1x50
…
254-2x50
…
513-3x50
…
50
…
Stock restant
…
456-1xn
…
216-1xn
…
254-2xn
…
513-3xn
…
n
…
Stock final
456-1x127 216-1x127 254-2x127 513-3x127
= 329
= 89
= 132
=0
127
2. Transformation chimique d’un système
2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimique
c) Le bilan de matière
L’inventaire des stocks initiaux et finaux
Etat initial
Etat final
Big Dalle
127
Feuilles de salade
513
Feuilles de salade
123
Tomates
216
Tomates
89
Pains ronds
456
Pains ronds
329
Steaks hachés
254
Steaks hachés
0
Oignons
842
Oignons
842
Pains de poisson
123
Pains de poisson
123
« Réactifs »
« Espèces spectatrices »
« produits »
« réactifs en excès »
« réactif limitant »
2. Transformation chimique d’un système
2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimique
d) Application au TP 14
Etude 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
+ 1Na+31HA+ 1HCO
+ 3- 1HCO
1CO
O 2+O1A- ++ 1Na
1CO22+ 1H
+ 21H
1A- +
E. initial
…
5,95.10-2
0
0
0
E. inter.
…
5,95.10-2 - ….
x
x
x
E. final
…
…
…
…
…
Correction TP 14
1.
2.
3.
4.
Ecrire l’équation bilan de la réaction dans le tableau
Remplir la première ligne avec les quantités initiales
Remplir les lignes suivantes avec x et xf
Rechercher xf en fonction des quantités initiales
-2 – x = 0 donc x = 1,33.10-2 mol
-2 mol
1,33.10
Si Vvinaigre = 10mL, alors nHA = 1,33.10
f
f
-2
-2 mol
– xf = 0 donc xf = 5,95.10-2 mol
Dans tous les cas nHCO3- = 5,95.105,95.10
Equation de la réaction
HA
+
HCO3-

CO2
+ H 2O +
A-
Etat du système
Avancement
(en mol)
Etat initial
0
1,33.10-2
5,95.10-2
0
0
0
Etat intermédiaire
x
1,33.10-2-x
5,95.10-2-x
xf
1,33.10-2-xf 5,95.10-2-xf
=0
= 4,62.10-2
x
xf
x
xf
x
xf
’’
’’
Etat final
Quantités de matière en moles
= 1,33.10-2
2. Transformation chimique d’un système
2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimique
e) 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-
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 réaction
2. Remplissez le tableau d’avancement
Equation de la réaction
Etat du système
Avancement
(en mol)
Etat initial
0
Etat intermédiaire
x
Etat final
xf

Quantités de matière en moles
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
Equation de la réaction
Etat du système
Avancement
(en mol)
Etat initial
0
Etat intermédiaire
x
Etat final
xf
Cu2+
+
2OH-

Cu(OH)2
Quantités de matière en moles
Utilisation des données:
Quelles quantités de produit le Grand
Schtroumpf a mélangé ?
Cu2+ : V = 100 mL , C = 0,20 mol/L
donc nCu2+ = 0,10 x 0,20 = 2,0.10-2 mol
OH- : nOH- = 5,0.10-2 mol
Equation de la réaction
Etat du système
Avancement
(en mol)
Etat initial
0
Etat intermédiaire
x
Etat final
xf
Cu2+
+
2OH-

Cu(OH)2
Quantités de matière en moles
2,0.10-2
5,0.10-2
0
Introduction de l’avancement :
On introduit dans la deuxième ligne
l’avancement x …
… Et dans la dernière l’avancement final xf !
Equation de la réaction
Cu2+
Etat du système
Avancement
(en mol)
Etat initial
0
2,0.10-2
Etat intermédiaire
x
Etat final
xf
+
2OH-

Cu(OH)2
Quantités de matière en moles
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 -2xf
xf
Calcul de l’avancement final xf
Pour Cu2+ :
Moi, j’aime pas les-2équations !
2,0.10 – xf = 0
Donc xf = 2,0.10-2 mol
Pour OH- :
5,0.10-2 – 2 xf = 0
Donc xf = 2,5.10-2 mol
Cu2+ est donc le réactif limitant
et xf = 2,0.10-2 mol
Etat final
On peut maintenant compléter la dernière ligne !
Equation de la réaction
Cu2+
Etat du système
Avancement
(en mol)
Etat initial
0
2,0.10-2
Etat intermédiaire
x
Etat final
xf
+
2OH-

Cu(OH)2
Quantités de matière en moles
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 -2xf
xf
=0
= 1,0.10-2
= 2,0.10-2
On peut représenter graphiquement
Les quantités en fonction de l’avancement
Quantités de matière
x 10-2 mol
5
4
nOHFin de la réaction
3
2
nCu(OH)2
nCu2+
1
Avancement
x 10-2 mol
0
0
1
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
2. Transformation chimique d’un système
2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimique
e) Applications à des transformations chimiques
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
2. Transformation chimique d’un système
2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimique
e) Applications à des transformations chimiques
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