TP 1 : CHIMIE

CORRECTION – Exercice : Réactions acido-basique
Enoncé
L’entartrage des cafetières est dû à la formation d’un dépôt solide de carbonate de calcium.
La composition chimique d’une eau du robinet varie en fonction de sa provenance. Elle
contient des quantités variables d’ions magnésium Mg2+, calcium Ca2+ et d’ions
hydrogénocarbonate HCO3-. L’élévation de la température de l’eau dans la cafetière favorise
la réaction suivante :
HCO3- (aq) + HCO3- (aq)  CO2,H2O (aq) + CO32- (aq)
Lorsque l’eau est dure, il y a précipitation de carbonate de calcium selon l’équation :
CO32- (aq) + Ca2+ (aq)  CaCO3 (s)
Le dépôt de tartre obstrue les conduites jusqu’à empêcher une circulation correcte de l’eau
dans l’appareil.
Pour éliminer le tartre, on utilise de l’acide sulfamique, de formule H2N-SO3H (s). Dans un
premier temps, on fabrique une solution en dissolvant l’acide sulfamique dans l’eau tiède.
Lorsqu’on fait passer cette solution dans la cafetière, on observe une élimination du dépôt
blanchâtre de tartre : Les ions carbonates sont transformés en ions hydrogénocarbonate.
L’hydrogénocarbonate de calcium est soluble dans l’eau. Dans certains cas, on observe un
dégagement gazeux.
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1 . La réaction favorisée par une élévation de température est-elle une réaction acidobasique ?
Il s’agit bien d’une réaction acido-basique. Celle-ci concerne les deux couples acidobasiques suivants :
CO2,H2O (aq) / HCO3- (aq) : CO2,H2O (aq) = HCO3- (aq) + H+ (aq)
HCO3- (aq) / CO32- (aq) : HCO3- (aq) = CO32- (aq) + H+ (aq)
2 . Quelle est la propriété de l’ion hydrogénocarbonate qui est mise ici en évidence ?
L’ion hydrogénocarbonate peut jouer le rôle de base (dans le premier couple) ou d’acide
(dans le second couple). Il s’agit donc d’un ampholyte.
3 . Qu’est-ce qu’une eau « dure » ?
Il s’agit d’une eau particulièrement riche en ions calcium et magnésium.
4 . Pourquoi est-il nécessaire de détartrer une cafetière ?
Lorsque l’eau est chauffée à l’intérieur de la cafetière, les ions hydrogénocarbonate présents
dans l’eau réagissent entre eux pour former des ions carbonates. Ces derniers réagissent à
leur tour avec les ions calcium présents eux aussi dans l’eau pour former du carbonate de
calcium solide. Celui-ci se dépose dans les canalisations et finit par les obstruer.
5 . Donner la formule de la base conjuguée de l’acide sulfamique. Ecrire la formule du
couple acido-basique correspondant.
On obtient la base conjuguée en enlevant un proton H+ à la molécule d’acide sulfamique. :
on a le couple suivant :
H2N-SO3H (s) / H2N-SO3- (aq)
6 . Lors de sa dissolution dans l’eau, l’acide sulfamique réagit avec l’eau. Ecrire
l’équation de cette réaction. Quelle est l’espèce acide présente après la réaction ?
On a les couples :
H2N-SO3H (s) / H2N-SO3- (aq) : H2N-SO3H (s) = H2N-SO3- (aq) + H+ (aq)
H3O+ (aq) / H2O (l) : H3O+ (aq) = H2O (l) + H+ (aq)
Equation de la réaction : H2N-SO3H (s) + H2O (l)  H2N-SO3- (aq) + H3O+ (aq)
Après la réaction, l’espèce acide présente en solution est l’ion oxonium.
7 . Cette espèce réagit avec les ions carbonate du tartre. Quels sont les couples acide
/ base impliqués dans cette réaction ? Ecrire l’équation de la réaction.
H3O+ (aq) / H2O (l) : H3O+ (aq) = H2O (l) + H+ (aq)
HCO3- (aq) / CO32- (aq) : HCO3- (aq) = CO32- (aq) + H+ (aq)
Equation de la réaction : H3O+ (aq) + CO32- (aq)  : HCO3- (aq) + H2O (l)
8 . Les sachets commercialisés pour le détartrage des cafetières contiennent une
masse m = 1,0 g d’acide sulfamique. Calculer la quantité de matière d’ions carbonate
qui réagissent avec le contenu d’un sachet de détartrant.
D’après la réaction suivante :
H2N-SO3H (s) + H2O (l)  H2N-SO3- (aq) + H3O+ (aq)
on voit que lorsqu’une mole d’acide sulfamique se dissout dans l’eau, on obtient une mole
d’ions oxonium.
ni (H3O+ ) = m / M(H2N-SO3H) = 1,0 / (3,0 + 14,0 + 32,1 + 48,0) = 1,0 / 97,1 = 1,0.10-2 mol
D’après l’équation suivante :
H3O+ (aq) + CO32- (aq)  : HCO3- (aq) + H2O (l)
on voit que une mole d’ions oxonium réagit avec une mole d’ions carbonate.
Conclusion : la quantité de matière d’ions carbonate qui réagissent avec le contenu d’un
sachet de détartrant est de 1,0.10-2 mol.
9 . Quelle est la relation entre les quantités de matière ni (CO32-) d’ions carbonate qui
réagissent et ni (CaCO3) de solide qui réagit ? Quelle donnée du texte permet de
répondre à cette question ?
Dans le texte, on peut lire :
« Lorsque l’eau est dure, il y a précipitation de carbonate de calcium selon l’équation :
CO32- (aq) + Ca2+ (aq)  CaCO3 (s) »
En présence d’ions oxonium (milieu acide), la solubilité du carbonate de calcium (tartre
solide) va augmenter. La réaction ci-dessus va donc avoir lieu dans le sens inverse (dans le
sens de la dissolution du carbonate de calcium) jusqu’à ce que tous les ions oxonium aient
réagi avec les ions carbonate selon la réaction :
H3O+ (aq) + CO32- (aq)  : HCO3- (aq) + H2O (l)
Puisque la dissolution d’une mole de carbonate de calcium fournit une mole d’ions
carbonate, on peut conclure que :
ni (CO32-) = ni (CaCO3)
10 . En déduire la masse de carbonate de calcium détruit par l’action d’un sachet de
détartrant.
m (CaCO3) = ni (CaCO3) . M (CaCO3) = ni (CO32-) . M (CaCO3) = 1,0.10-2 . (40,1+12,0+48,0)
m (CaCO3) = 1,0 g
Un sachet de détartrant permet de détruire 1,0 g de tartre.
11 . Les ions hydrogénocarbonate peuvent réagir avec les ions oxonium. Ecrire
l’équation chimique de cette réaction. Permet-elle d’expliquer le dégagement gazeux
observé dans certains cas ? Quelle est la condition nécessaire pour qu’il se
produise ?
CO2,H2O (aq) / HCO3- (aq) : CO2,H2O (aq) = HCO3- (aq) + H+ (aq)
H3O+ (aq) / H2O (l) : H3O+ (aq) = H2O (l) + H+ (aq)
Equation de la réaction : H3O+ (aq) + HCO3- (aq)  CO2,H2O (aq) + H2O (l)
Le dioxyde de carbone dissout dans l’eau peut se libérer dans l’atmosphère si la température
de l’eau est suffisamment élevée.
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