TP CONDUCTIMETRIE

DETERMINATION DU TAUX D'AVANCEMENT FINAL
Réaction d'un acide avec l'eau
Objectif : détermination du taux d'avancement dans les réactions avec l'eau de quelques acides
Objectifs complémentaires
-Montrer que le taux d’avancement dépend de l’état initial.
-Montrer que le taux d’avancement dépend de la réaction envisagée.
Prolongement possible :
Introduire la constante d’équilibre et la calculer.
Pré requis :
-
Conductance d'une solution (relation entre la conductance et les concentrations molaires des espèces
ioniques) ;
Réactions acido-basiques ;
Caractère non total d'une transformation et la notion d'équilibre chimique.
Remarque : si la notion d'équilibre chimique n'a pas encore été vue, il est possible d'utiliser ce TP pour la mettre en évidence, il
suffit alors dans la liste des acides étudiés, d'ajouter les solutions d'acide chlorhydrique.
ETUDE THEORIQUE
1. Le taux d'avancement
Il s'agit d'étudier la réaction entre un acide noté AH et l'eau, le suivi de cette réaction étant effectué par
conductimétrie.
AH(aq)
+
= A- (aq) +
H2O
H3O+
La solution contient les espèces H2O, AHaq, H3O+, A-aq (et HO- aq que l'on pourra négliger du fait que l'on
se situe dans un domaine acide : pH<5.)
La variation de la conductivité de la solution est donc due à la formation en égales quantités des ions
H3O+ et A- (aq) .
Equation de la réaction
AH(aq)
+
= A- (aq)
H2 O
+
H3O+
Quantité de matière dans l’état
initial (mol)
n0
Sans intéret
0
0
n0 – x
*
x
x
n0 – xfinal
*
xfinal
xfinal
Quantité de matière
au cours de la transformation (mol)
Quantité de matière dans l’état final
(mol)
Les quantités d'ions formés sont toutes deux égales à l'avancement de la réaction x final .
L'avancement de la réaction x final peut s'exprimer en fonction de la concentration en ion A- (aq) ou H3O+
et du volume final : x final = [H3O+] . Vfinal.= [H3O+] . Vfinal
D'après la loi de Kolrausch, la conductivité de la solution s'exprime par :
σ = [H3O+] .λ H3O+ + [A-] . λ A- = (λ H3O+ + λ A- ). x final /V
x final= σ .V / (λ H3O+ + λ A- )
Pour une solution initiale de concentration Co et de volume V= Vfinal , l'avancement maximal xmax vaudrait :
xmax = n0 = C0V
Définition du taux d'avancement : τ = x final /x max
Expression du taux d'avancement :
τ = σ / Co (λ H3O+ + λ A- )
2. Le quotient de réaction
Pour cette réaction, à l'équilibre, le quotient de réaction s'exprime par la relation :
QR éq = [H3O+]éq [A-]éq /[AH]éq
[A-]éq = [H3O+]éq = x final /V
Or x final = τ. x max= τ. C0V d'où : [A-]éq = [H3O+]éq = τ. C0.
[AH] éeq= (n0 - x final )/ V = (C0V- τ. C0V)/V = C0 - τ. C0
[AH]éq = C0 ( 1 - τ)
D'où : QR éq = τ² C0 / ( 1 - τ)
( loi d'Ostwald)
ETUDE EXPERIMENTALE
Mode opératoire :
2 méthodes sont envisageables :
-
Préparer une dizaine de solutions de concentrations différentes et mesurer la conductivité de
chacune d'entre elles. Avantage : volumes utilisés raisonnables, verrerie nécessaire : béchers,
fiole jaugée et pipette ou distributeur ; toutes les concentrations sont envisageables dans un
domaine qui va de 10-4 mol.L-1 à 10-2 mol.L-1. Inconvénient : méthode longue du fait de la préparation de nombreuses solutions et du nettoyage indispensable de la cellule entre chaque mesure.
-
Partir d'une solution mère et la diluer dans le récipient de mesure (ex un bécher de 600mL ) :
le volume initial étant de 150 mL, par ajouts successifs de 50 mL il est possible de faire 8 mesures.
Avantage de la deuxième méthode : beaucoup moins de manipulations, gain de temps indéniable mais
nécessité d'une agitation efficace, ce qui devient plus difficile pour les grands volumes.
Résultats des mesures ( voir tableaux joints ) : ces mesures sont obtenues à l'aide de la deuxième méthode.
Conclusion du TP :
Les résultats obtenus permettent de conclure sur l'existence d'une constante : à l'équilibre, la valeur du
quotient de la réaction d'un acide carboxylique avec l'eau est égale à la constante d'acidité du
couple acide /base étudié.
Intérêt du TP :
Ce TP, suivant les objectifs visés, peut se placer à différents endroits dans la progression. La durée de la
manipulation effectuée par les élèves ne dépasse pas ¾ h, étalonnage éventuel compris. Le traitement
mathématique peut être fait à l'aide d'un tableur
DEROULEMENT DE LA SEANCE
Données :
Ion
Ion éthanoate
Ion méthanoate
Ion benzoate
Ion oxonium
λ0 conductivité molaire ionique en mS.m².mol-1
4,09
5,46
3,23
34,985
Ion salicylate
Ion hydroxyde
Ion chlorure
Ion sodium
3,5
19,918
7,634
5,011
Relation entre les conductivités molaires ioniques et la conductivité :    i .[Xi ]
i
1.PRINCIPE DU TP
Il s'agit :
- soit de déterminer le taux d'avancement d'une réaction d'un acide carboxylique dans l'eau
- soit de montrer que, pour toute transformation mettant en jeu une réaction donnée, le quotient de
réaction est invariant dans l’état d’équilibre du système.
La démarche est la suivante :
- à l’aide de mesures de conductivité, déterminer les concentrations molaires effectives en ions oxonium H3O+ et en ions A-aq pour des solutions d'acide HA, de concentrations molaires apportées ci variables ;
- à l’aide du tableau descriptif de l'évolution du système, déterminer les concentrations molaires effectives en acide HA de la solution obtenue;
- calculer le taux d'avancement et/ou la valeur du quotient de réaction dans l’état d’équilibre et vérifier
que celle-ci est constante quel que soit l’état initial du système.
Il est possible de faire étudier plusieurs réactions au cours de cette séance en répartissant des solutions
d'acides différents dans le groupe d’élèves
- montrer que la constante dépend de la réaction envisagée.
2. PROTOCOLE
MATERIEL ET PRODUITS NECESSAIRES :
-
conductimètre
papier absorbant
bécher de 600 mL et fiole jaugée de 50 mL
agitateur magnétique
solutions d'acide éthanoïque, méthanoïque ….. de concentration initiale 1,0.10-2 mol/L
MODE OPERATOIRE
-
préparer la cellule et le conductimètre
plonger la cellule dans la solution mère et faire la mesure de conductivité
ajouter 50,0mL d'eau distillée, bien homogénéiser, faire la mesure
faire autant de mesures que possible en ajoutant 50 mL d'eau distillée à chaque fois
3.RESULTATS DES MESURES
Compléter le tableau ci-dessous :
Numéro de la solu1
2
tion
Volume d'eau ajouté
en mL
Volume total de
solution en mL
Concentration
en
acide introduit
en mol/L
Conductivité en
….
3
4
5
6
7
8
0
50
100
150
200
250
300
350
150
200
250
300
350
400
450
500
4.QUESTIONNEMENT POSSIBLE
1. Ecrire l'équation de la réaction mise en jeu et compléter le tableau d'avancement :
Equation de la réaction
Quantité de matière dans l’état initial
0
(mol)
0
Quantité de matière
au cours de la transformation (mol)
Quantité de matière dans l’état final
(mol)
2. Déduire du tableau d'avancement, la valeur de x
le tableau ci-dessous
maximal
pour chaque solution étudiée et compléter
3. Exprimer, en fonction des conductivités molaires ioniques et des concentrations molaires ioniques, la conductivité de la solution.
Aide éventuelle de l'enseignant.
4. Déterminer l'expression de σ en fonction de x final. Calculer x final pour chaque solution et compléter le tableau ci-dessous
Numéro de la 1
solution
xfinal
x max
τ
2
3
4
5
6
7
8
Prolongement possible : calcul de QR
5. En exploitant la définition du quotient de réaction, écrire, pour un état donné du système, le quotient de la réaction considérée.
6. Justifier que le système a atteint un état d'équilibre et qu'il s'agit d'un équilibre chimique.
7. Calcul des différentes concentrations en fonction de xfinal en utilisant le tableau d'avancement
Calculer le quotient de réaction dans chaque état d’équilibre du système. Que peut-on dire de la
valeur du quotient de réaction dans les différents états d'équilibre étudiés?