Etude quantitative d'une réaction chimique

Etude quantitative d'une réaction chimique

La réaction chimique que l'on va étudier est la réaction de précipitation des ions cuivre avec les ions hydroxyde.

Equation bilan de la réaction :

Les ions cuivre Cu2+ proviennent d'une solution de sulfate de cuivre (Cu2+ + SO₄^2) et les ions hydroxyde OH- d'une solution d'hydroxyde de sodium (Na+ + OH-).

I. Manipulation

Na⁺+OH^-

 Prélevez à l'aide d'une pipette jaugée 10 mL d'une solution de sulfate de cuivre dont la concentration en ions cuivre est de 0,1 mol.L^-1, placez cette quantité dans un bêcher.

 Placez dans la burette graduée la solution d'hydroxyde de sodium dont la concentration en ions hydroxyde est de 0,1 mol.L^-1 (purger la partie inférieure au niveau du robinet puis ajuster au zéro en plaçant votre oeil au niveau de la graduation).

Cu²⁺+SO₄^2

Selon votre groupe, verser dans le bêcher un volume V1 de solution d'hydroxyde de sodium.

N° groupe 1 2 3 4 5 6 7 8

V1 (mL) 8 12 14 16 20 20 23 25

 Filtrez ensuite le contenu du bêcher et recueillir le filtrat dans un erlenmeyer.

 Regrouper les résultats dans le tableau ci- dessous :

N° groupe 1 2 3 4 5 6 7 8 Couleur du

filtrat

 Prélever le contenu de votre erlenmeyer et placé dans 3 tubes à essai 2 mL environ de ce filtrat.

 Par comparaison avec le tube témoin, compléter le tableau au dos en indiquant par oui ou non si vous observer la formation d'un précipité bleu.

N° groupe 1 2 3 4 5 6 7 8 Test n°1

Test n°2

II. Interprétation

1. Rappeler la définition d’un réactif limitant.

2. Quel est le réactif limitant de la réaction de précipitation étudié ? Justifier votre réponse pour chaque groupe.

3. Compléter le tableau en calculant (si cela vous est possible ! !) les quantités de matières suivantes : Groupe Réactif(s)

limitant(s) Etat initial Etat final

nCu2+ (mol) nOH- (mol) nCu2+(mol) nOH-(mol) nCu(OH)2(mol) 1

2 3 4 5 6 7 8

4. Que fait le nombre de mol d’ions sulfate et d’ions sodium au cours de la réaction ? Pourquoi ? 5. Comparer, pour les groupes 5 et 6 le nombre de mol d’ions Cu²⁺ et OH^- aux coefficients

stoechiométrique de l’équation bilan.

6. Pour les groupes 5 et 6, quel est le nombre de mol de précipité Cu(OH)2 formés ? (compléter le tableau)

7. En déduire le nombre de mol de précipité pour les groupes 7 et 8. (compléter le tableau) 8. Compléter le reste du tableau en travaillant sur proportions indiquées par l’équation bilan.

III. Notion d’avancement.

 Pour déterminer avec méthode les quantités de matière des différentes espèces chimiques dans l’état final après réaction, on utilise un outil qui s’appelle l’avancement. L’avancement est une quantité de matière, il se note x et son unité est la mol. x est donc une valeur posifive (car c’est un nombre de mol, donc de la matière)

 Nous avons vu que les quantités des réactifs qui disparaissent sont directement liés aux coefficients stoechiométriques de l’équation bilan.

Exemple : la réaction de précipitation des ions cuivre est Cu²⁺ + 2OH^-  Cu(OH)2

Les coefficient stoechiométriques nous indique que s’il réagit « x » mol d’ions Cu²⁺ , il réagit « 2.x » mol d’ions OH^- pour former « x » mol de précipité Cu(OH)2.

Si au départ, on a 10^-3 mol d’ions Cu²⁺, il va donc rester 10^-3-x mol d’ions Cu²⁺ après réaction. Sur le même principe on peut alors compléter le tableau suivant pour le groupe 1:

Equation bilan de la réaction

Avancement Mol de Cu²⁺ Mol de OH^- Mol de Cu(OH)2

Etat initial Au cours de la réaction

Etat final

Afin de déterminer la valeur de x, il faut connaître le réactif qui limite la réaction. Pour le groupe n°1, ce sont les ions OH^-, on en déduit donc la valeur de x à partir de l’équation :

Refaire le même travail pour les groupe 2 et 7

Groupe n°2 Avancement Mol de Cu²⁺ Mol de OH^- Mol de Cu(OH)2

Etat initial Au cours de la réaction

Etat final

Groupe n°7 Avancement Mol de Cu²⁺ Mol de OH^- Mol de Cu(OH)2

Etat initial Au cours de la réaction

Etat final

A condition de connaître le réactif limitant, on peut alors calculer les quantités de matières de l’état final.

Montrons alors, à partir du groupe 3, qu’il est possible de déterminer le réactif limitant en utilisant l’avancement.

Groupe n°3 Avancement Mol de Cu²⁺ Mol de OH^- Mol de Cu(OH)2

Etat initial Au cours de la réaction

Etat final

Deux cas sont possibles :





CONCLUSION :

Par la même méthode, traiter le cas du groupe 8 :

Groupe n°8 Avancement Mol de Cu²⁺ Mol de OH^- Mol de Cu(OH)2

Etat initial Au cours de la réaction

Etat final

Résultats

Groupe Réactif(s)

limitant(s) Etat initial Etat final

nCu2+ (mol) nOH- (mol) nCu2+(mol) nOH-(mol) nCu(OH)2(mol) 1 OH^- 10^-3 0,8.10^-3 10^-3-0,4.10^-3

=0,6.10^-3 0 0,4.10^-3

2 OH^- 10^-3 1,2.10^-3 10^-3-0,6.10^-3

=0,4.10^-3 0 0,6.10^-3

3 OH^- 10^-3 1,4.10^-3 10^-3-0,7.10^-3

=0,3.10^-3 0 0,7.10^-3

4 OH^- 10^-3 1,6.10^-3 10^-3-0,8.10^-3

=0,2.10^-3 0 0,8.10^-3

5 Cu²⁺ et OH^- 10^-3 2.10^-3 0 0 10^-3

6 Cu²⁺ et OH^- 10^-3 2.10^-3 0 0 10^-3

7 Cu²⁺ 10^-3 2,3.10^-3 0 2,3.10^-3-10^-3

=0,3.10^-3 10^-3

8 Cu²⁺ 10^-3 2,5.10^-3 0 2,5.10^-3-10^-3

=0,5.10^-3 10^-3

Groupe Réactif(s)

limitant(s) Etat initial Etat final

nCu2+ (mol) nOH- (mol) nCu2+(mol) nOH-(mol) nCu(OH)2(mol) 1 OH^- 10^-3 0,8.10^-3 10^-3-0,4.10^-3

=0,6.10^-3 0 0,4.10^-3

2 OH^- 10^-3 1,2.10^-3 10^-3-0,6.10^-3

=0,4.10^-3 0 0,6.10^-3

3 OH^- 10^-3 1,5.10^-3 10^-3-0,75.10^-3

=0,35.10^-3 0 0,75.10^-3

4 OH^- 10^-3 1,7.10^-3 10^-3-0,85.10^-3

=0,15.10^-3 0 0,85.10^-3

5 Cu²⁺ et OH^- 10^-3 2.10^-3 0 0 10^-3

6 Cu²⁺ et OH^- 10^-3 2.10^-3 0 0 10^-3

7 Cu²⁺ 10^-3 2,3.10^-3 0 2,3.10^-3-10^-3

=0,3.10^-3 10^-3

8 Cu²⁺ 10^-3 2,5.10^-3 0 2,5.10^-3-10^-3

=0,5.10^-3 10^-3

III. Notion d’avancement.

Pour déterminer avec méthode les quantités de matière des différentes espèces chimiques dans l’état final après réaction, on utilise un outil qui s’appelle l’avancement. L’avancement est une quantité de matière, il se note x et son unité est la mol. x est donc une valeur posifive (car c’est un nombre de mol, donc de la matière)

Nous avons vu que les quantités des réactifs qui disparaissent sont directement liés aux coefficients stoechiométriques de l’équation bilan.

Exemple : la réaction de précipitation des ions cuivre est Cu²⁺ + 2OH^-  Cu(OH)2

1 mol 2 mol 1 mol

Les coefficient stoechiométriques nous indique que s’il réagit « x » mol d’ions Cu²⁺ , il réagit « 2.x » mol d’ions OH^- pour former « x » mol de précipité Cu(OH)2.

Si au départ, on a 10^-3 mol d’ions Cu²⁺, il va donc rester 10^-3-x mol d’ions Cu²⁺ après réaction. Sur le même principe on peut alors compléter le tableau suivant pour le groupe 1 :

Equation bilan de la réaction

Avancement Mol de Cu²⁺ Mol de OH^- Mol de Cu(OH)2

Etat initial x=0 10^-3 0,8.10^-3 0

Au cours de la réaction x 10^-3-x 0,8.10^-3 – 2x x

Etat final 0,4.10^-3 0,6.10^-3 0 0,4.10^-3

Afin de déterminer la valeur de x, il faut connaître le réactif qui limite la réaction. Pour le groupe n°1, ce sont les ions OH^-, on en déduit donc la valeur de x à partir de l’équation :

0,8.10^-3-2x=0, soit x=0,4.10^-3 mol

On calcule alors le nombre de moles d’ions Cu²⁺ : 10^-3-0,4.10^-3=0,6.10^-3 mol Refaire le même travail pour les groupe 2 et 7

Groupe n°2 Avancement Mol de Cu²⁺ Mol de OH^- Mol de Cu(OH)2

Etat initial x=0 10^-3 1,2.10^-3 0

Au cours de la réaction x 10^-3-x 1,2.10^-3 – 2x x

Etat final 0,6.10^-3 0,4.10^-3 0 0,6.10^-3

Groupe n°7 Avancement Mol de Cu²⁺ Mol de OH^- Mol de Cu(OH)2

Etat initial x=0 10^-3 2,3.10^-3 0

Au cours de la réaction x 10^-3-x 2,3.10^-3 – 2x x

Etat final 10^-3 0 0,3.10^-3 10^-3

A condition de connaître le réactif limitant, on peut alors calculer les quantités de matières de l’état final.

Montrons alors, à partir du groupe 3, qu’il est possible de déterminer le réactif limitant en utilisant l’avancement.

Groupe n°3 Avancement Mol de Cu²⁺ Mol de OH^- Mol de Cu(OH)2

Etat initial x=0 10^-3 1,4.10^-3 0

Au cours de la réaction x 10^-3-x 1,4.10^-3-2x x

Etat final 0,7.10^-3 0,3.10^-3 0 0,7.10^-3

Deux cas sont possibles :

 Si Cu²⁺ est le réactif limitant, on a alors 10^-3-x=0 donc x=10^-3 mol

ce qui donne pour OH^- 1,4.10^-3-2.10^-3=-0,6.10^-3 mol IMPOSSIBLE ! ! ! ce doit être positif.

 OH^- est le réactif limitant : 1,4.10^-3-2x=0 donc x=0,7.10^-3 mol ce qui donne nCu2+=10^-3-0,7.10^-3=0,3.10^-3 mol

CONCLUSION : il faut chercher la valeur minimal de x pour déterminer le réactif limitant.

Par la même méthode, traiter le cas du groupe 8 :

Groupe n°8 Avancement Mol de Cu²⁺ Mol de OH^- Mol de Cu(OH)2

Etat initial x=0 10^-3 2,5.10^-3 0

Au cours de la réaction x 10^-3-x 2,5.10^-3 – 2x x

Etat final 10^-3 0 0,5.10^-3 10^-3

 Si Cu²⁺ est le réactif limitant, 10^-3-x=0 donc x=10^-3 mol

 Si OH^- est le réactif limitant : 2,5.10^-3-2x=0 donc x=1,25.10^-3 mol

On prend le plus petit : x=10^-3 mol , Cu²⁺ est donc le réactif limitant, nOH-=0,5.10^-3 mol