Terminale S Activité expérimentale : Aspect thermique d’une réaction acido-basique Contexte du sujet :
Les boites de conserve auto chauffantes contiennent une capsule constituée de deux compartiments initialement isolés, contenant l'un de la chaux vive CaO solide, l'autre de l'eau.
La rupture de la capsule met en contact les deux espèces chimiques, produisant une réaction acido-basique et une élévation de température.
Nous nous proposons de mettre en évidence les paramètres dont dépend cette élévation de température en utilisant une autre réaction acido-basique réalisable au laboratoire.
Problématique : De quoi dépend l’élévation de température observée lorsqu’on mélange une solution d’acide chlorhydrique et une solution d’hydroxyde de sodium ?
Informations : Document 1 :
On appelle réaction exothermique une réaction qui libère de l’énergie : le système chimique
(ensemble des réactifs et produits) cède de l’énergie ce qui provoque une élévation de température du milieu (système + solvant + autre milieu au contact du système chimique).
Inversement, on appelle réaction endothermique une réaction qui absorbe de l’énergie : un apport d’énergie au système chimique est nécessaire ce qui provoque un abaissement de la température du milieu.
Document 2 :
La réaction entre l’acide chlorhydrique et l’eau est très exothermique. Lors du mélange d’une solution d’acide chlorhydrique concentrée avec de l’eau ou une solution aqueuse, il faut toujours verser l’acide dans l’eau et non l’inverse. L’ajout doit se faire très lentement et sous agitation.
Document 3 :
L’acide chlorhydrique concentré et la solution d'hydroxyde de sodium sont des liquides corrosifs donc il faut les manipuler avec précaution.
H290 : Peut être corrosif pour les métaux.
H314 : Provoque des brûlures de la peau et des lésions oculaires graves.
Lorsqu’on mélange ces deux solutions il se produit une réaction chimique acido-basique d’équation : H3O+(aq) + HO-(aq) 2 H2O(l)
Document 4 :
L’énergie échangée (reçue ou cédée) par un corps pur de masse m qui passe d'une température initiale θi à une température finale θf sans changer d’état physique est proportionnelle à la masse du corps et à la différence de température. Cela se traduit par la relation :
Q = m.C.(θf - θi) où C est la capacité calorifique massique du corps pur Données : C(eau) = 4,18 kJ kg-1 °C-1
Si Q est négatif le système a perdu de l'énergie, s'il est positif il en a gagné.
Soude ou hydroxyde de sodium ( Na+ + OH-)
Mention danger H290 H314
Acide Chlorhydrique ( H3O+ + Cl-)
Travail à réaliser :
1. Etude expérimentale de la réaction (suivre un protocole : 45 min)
Dans le vase en verre du calorimètre muni d'un agitateur manuel et d'un thermomètre, introduire 90 mL d'eau distillée et 10,0 mL d'acide chlorhydrique de concentration c1 = 1,0 mol/L. Fermer le calorimètre.
Agiter doucement et dès que l'équilibre thermique est atteint, relever la température initiale θi du système.
Remplir la burette graduée avec la solution d'hydroxyde de sodium (soude) de concentration c2 = 1,0 mol/L et la disposer au dessus de l'ouverture du calorimètre.
Verser un volume de 1,0 mL de soude dans le calorimètre, agiter, noter la nouvelle température lorsque l'équilibre thermique est atteint.
Recommencer avec des ajouts successifs de 1,0 mL et noter la température à l'équilibre après chaque ajout. Poursuivre jusqu'à avoir versé 15,0 mL.
Décrire cette expérience (schéma légendé du dispositif, tableau des résultats, conclusion sur l'aspect thermique de la réaction)
2. Paramètres dont dépend l'élévation de température (Proposer une démarche : 30 min) Proposer une démarche permettant, à partir des mesures effectuées, de construire le graphe
∆θ = f(n(HO-))
Faire valider par le professeur puis tracer ce graphe et interpréter les deux parties.
Conclure : l’élévation de température qui résulte d’une réaction exothermique dépend-elle des quantités de matière des réactifs, du volume du mélange, de la température initiale du mélange ?
3. Détermination de l'énergie molaire de la réaction (Valider, critiquer un résultat : 20 min) En assimilant le mélange à de l'eau et en négligeant les fuites thermiques du calorimètre,
identifier les étapes permettant de déterminer l'énergie libérée par la réaction lorsque le mélange est stœchiométrique et faire valider par le professeur.
Calculer cette énergie.
En déduire l'énergie molaire Qmes de cette réaction et la comparer à celle fournie par les tables de chimie : Qthéo = 57,0 kJ.mol-1.
Déterminer l'écart relatif.
Commenter en citant les différentes sources d'erreurs.
Rédiger une conclusion répondant à la problématique posée. Calculs d'incertitudes
Evaluer l'incertitude de répétabilité sur les 8 mesures d'énergie molaire réalisées par les 8 groupes.
on donne pour n mesures ; Urépétabilité = k x écart-type/racine(n) avec k coefficient de student :
Ecrire le résultat de la mesure de l'énergie molaire qui tient compte de cette incertitude. Evaluer l'incertitude sur la mesure de température initiale θi
on donne : précision du thermomètre : p = (2% L + 1dgt) incertitude à 95% de confiance : U(θ) = 2 x précision/racine3
Evaluer l'incertitude sur la mesure du volume d'acide chlorhydrique.
on donne : incertitude à 95% de confiance : U1(V) = 2 x tolérance/racine3 Evaluer l'incertitude sur la mesure du volume de soude à la burette.
