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TS Devoir surveillé n°3 06/12/2008 Page 1 sur 7 CHIMIE : ESPÈCES ACIDES EN SOLU

TS Devoir surveillé n°3 06/12/2008 Page 1 sur 7 CHIMIE : ESPÈCES ACIDES EN SOLUTION. On se propose d’identifier deux acides différents notés HA1 et HA2, en utilisant quelques mesures mettant en jeu différentes techniques expérimentales. Tout d’abord, on prépare deux solutions aqueuses S1 et S2, à partir des espèces HA1 et HA2 et d’eau distillée, de telle manière que la concentration en soluté apporté soit c0 = 1,010-2 mol.L–1 pour chacune d’elles. On considère que la réaction de chaque espèce acide dans l’eau est instantanée. Les parties 1, 2 et 3 sont indépendantes. 1. Mesure par pHmétrie. 1.1. Nous allons tenter de différencier ces deux espèces acides en observant leur action sur l’eau, par l’intermédiaire d’une mesure de pH réalisée dans les mêmes conditions pour chaque solution. 1.1.1. Définir une espèce acide selon Brönsted. 1.1.2. Écrire l’équation qui représente la réaction d’une espèce acide quelconque HA avec l’eau. Indiquer les deux couples acide/base mise en jeu à cette occasion. 1.1.3. Etablir un tableau d’avancement. Quelle relation a-t-on, entre les quantités n(A–)f et n(H3O+)f ? 1.2. On réalise la mesure du pH, à 25°C, en utilisant un volume V = 200 mL de chacune des deux solutions S1 et S2. Des mesures précises de pH pour S1 et S2 permettent de calculer leurs concentrations effectives en ions oxonium : [H3O+]f1 = 1,310–3 mol.L-1 pour S1 et [H3O+] f2= 1,010–2 mol.L-1 pour S2 1.2.1. Calculer les quantités de matière en ions oxonium, n(H3O+)f1 et n(H3O+)f2 dans chaque solution. 1.2.2. Calculer la quantité de matière d’acide HA1 et HA2, initialement présente dans les 200 mL de chaque solution avant toute réaction avec l’eau. 1.2.3. Exprimer l’avancement maximal de la réaction et calculer sa valeur en fonction des données. 1.2.4. Calculer l’avancement final x f1 et x f2 pour la réaction de chaque acide avec l’eau. 1.2.5. Définir le taux d’avancement final et calculer 1 et 2 pour chaque réaction. 1.2.6. Lequel des deux acides HA1 ou HA2 donne avec l’eau une réaction chimique totale? Justifier alors qu’une solution de cet acide dans l’eau doit s’écrire H3O+ (aq) + A-(aq) 2. Suivi spectrophotométrique. Pour identifier précisément l’acide qui donne avec l’eau une réaction chimique totale, on introduit dans le volume V =200 mL de solution de cet acide un volume V’ = 4,0 mL d’une solution d’eau oxygénée H2O2, de concentration c’ = 0,10 mol.L-1. On observe alors l’apparition d’une coloration jaune très pâle qui se renforce progressivement ; cette coloration est caractéristique du diiode I2 (aq) en solution aqueuse. La réaction d’oxydoréduction qui se déroule alors peut être modélisée par l’équation suivante : H2O2 (aq) + 2 H3O+(aq) + 2 A –(aq) = I2 (aq) + 4 H2O(ℓ) Réaction (1) Par spectrophotométrie, on établit la courbe qui représente l’évolution de la concentration en diiode formé au cours du temps (Voir Annexe à rendre avec la copie), ce qui permet de suivre le déroulement de la réaction. 2.1. Assurer la conservation des éléments dans la réaction (1) et identifier l’acide recherché HA en donnant sa formule. TS Devoir surveillé n°3 06/12/2008 Page 2 sur 7 2.2. La réaction (1) est une réaction d’oxydoréduction. 2.2.1. Identifier les deux couples oxydant/réducteur mis en jeu dans cette équation. 2.2.2. Écrire les demi-équations correspondantes. 2.2.3. Quelle est l’espèce chimique qui subit une oxydation ? 2.3. Compléter le tableau d’évolution de la décomposition de l’eau oxygénée. équation de la réaction H2O2(aq) + 2 H3O+ (aq) + 2 A– (aq) = I2(aq) + 4 H2O(ℓ) état du système avancement n(H2O2) n(H3O+) n(A–) n(I2) n(H2O) état initial 0 n’ excès excès grande état intermédiaire x excès excès grande état final xmax excès excès grande 2.4. Quelle est relation entre [I2] concentration en diiode à la date t, V, V’ et x(t). 2.5. 2.5.1. Définir la vitesse volumique v(t) de la réaction à la date t, l’exprimer en fonction de la dérivée par rapport au temps de la concentration molaire du diiode d[I ] dt . Déterminer graphiquement à l’aide de la courbe donnée en annexe sa valeur à la date t = 0 min. 2.5.2. Indiquer comment varie la vitesse volumique de la réaction au cours du temps. Comment peut-on justifier cette évolution ? 2.5.3. Donner la définition du temps de demi-réaction t1/2. 2.5.4. Faire sa détermination graphique sur la courbe donnée en annexe et indiquer sa valeur. 3. Mesure conductimétrique. Pour identifier à présent l’autre acide, on réalise une mesure de conductivité de sa solution ; on immerge la cellule du conductimètre dans les 200 mL de solution utilisée au 1.2; on obtient exp. = 5,28×10-2 S.m-1. 3.1. On note (A–) la conductivité molaire ionique des ions A- base conjuguée de l’espèce acide et (H3O+) celle des ions H3O+. Donner la relation entre la conductivité  de la solution d’acide étudié, les conductivités molaires ioniques et les concentrations molaires effectives des ions A- et H3O+. 3.2. En utilisant le résultat du 1.1.3., exprimer la conductivité molaire ionique (A–) de la base conjuguée de l’espèce acide, en fonction des autres grandeurs,  , (H3O+) , [H3O+]f. Calculer sa valeur (utiliser les valeurs données en 1.2.). 3.3. En considérant les valeurs de conductivités molaires ioniques du tableau ci-dessous, identifier la nature de la base conjuguée présente en solution. Donner la formule du deuxième acide recherché. Formule de l’ion H3O+ NO3 – HCOO– CN–  (S.m2.mol-1 ) 3,50×10-2 7,14×10-3 5,46×10-3 7,80×10-3 TS Devoir surveillé n°3 06/12/2008 Page 3 sur 7 PHYSIQUE De la découverte de la radioactivité aux applications Le but de cet exercice est d'analyser quelques aspects du contenu scientifique du texte ci-dessous. C'est vers 1932 que le couple de physiciens français Frédéric Joliot et Irène Curie commence à utiliser, pour ses recherches, une source de particules alpha émises spontanément par le polonium, un élément naturellement radioactif. Grâce à elle, ils peuvent provoquer des réactions nucléaires dans les atomes des éléments. Les Joliot-Curie, avec cette source de particules alpha, bombardent des éléments et analysent les réactions nucléaires produites. Ils remarquent que des éléments légers, en particulier l'aluminium et le bore, éjectent parfois un neutron. Mais ils observent également un autre phénomène, parfaitement inattendu : « la matière irradiée, notent-ils, conserve une radioactivité relativement durable après l'enlèvement de la source de particules alpha, radioactivité se manifestant par l'émission de positons ». Ainsi, une feuille d'aluminium irradiée émet un rayonnement dont l'intensité décroît exponentiellement en fonction du temps avec une demi-vie de 3 minutes 15 secondes. Un résultat analogue est obtenu avec du bore irradié, mais la demi-vie est différente : 14 minutes. La seule explication possible, c'est que l'aluminium et le bore, éléments naturellement stables, sont devenus radioactifs. Les Joliot-Curie sont persuadés qu'ils ont trouvé le moyen de provoquer une radioactivité artificielle, par la création d'un élément instable et sa désintégration spontanée. Ils proposent une réaction probable : le noyau d'aluminium, contenant 13 protons et 14 neutrons, aurait capturé une particule alpha et aurait immédiatement réémis un neutron. L'aluminium se serait alors transmuté en un isotope instable du phosphore, composé de 15 protons et de 15 neutrons. Puis le phosphore radioactif se serait à son tour désintégré en silicium stable (14 protons, 16 neutrons), en émettant un positon. A la suite des travaux des Joliot-Curie, d'énormes progrès ont été réalisé en médecine, au cours du XXe siècle, grâce à la radioactivité. La radioactivité est utilisée dans le traitement des tumeurs et des cancers: c'est la radiothérapie. Le principe consiste à bombarder une tumeur avec le rayonnement – émis par le "cobalt 60". La découverte de la radioactivité a donné aux sciences, à la médecine et à l'industrie un élan qui, après un siècle, ne s'est pas ralenti. 1. LA SOURCE DE PARTICULES ALPHA UTILISEE PAR LES JOLIOT-CURIE. Le texte indique que les Joliot-Curie ont utilisé le polonium, élément naturellement radioactif, comme source de particules alpha. 1.1. Définir un noyau radioactif. 1.2. L'écriture de l'équation d'une réaction nucléaire utilise la notation A ZX où X est le symbole de l'élément envisagé. Préciser ce que représentent A et Z. 1.3. À l'aide du tableau de données ci-dessous, écrire l'équation de la réaction nucléaire pour une émission alpha du polonium 210 dont le noyau est caractérisé par 210 84Po. Notation A ZX pour quelques noyaux 208 80Hg Hg : mercure 206 82Pb Pb : plomb 214 86Rn Rn : radon 212 88Ra Ra : radium TS Devoir surveillé n°3 06/12/2008 Page 4 sur 7 2. LA RÉACTION PROBABLE PROPOSÉE PAR LES JOLIOT-CURIE. 2.1. Donner la notation A ZX du noyau de phosphore (de symbole P) évoqué dans le texte. 2.2. À l'aide du texte et des lois de conservation (ou lois de Soddy), recopier et compléter l'équation de la réaction nucléaire rendant compte de la transmutation de l'aluminium en un isotope instable du phosphore : ...... ......Al + ..... .....He  1 0n + ..... .....P 2.3. Trouver dans le tableau de données ci-dessous un autre isotope du phosphore que celui évoqué dans le texte. Notation A ZX pour quelques noyaux 15 5B 31 15P 30 16S 75 30Zn 2.4. Radioactivité du phosphore. 2.4.1. Traduire uploads/Finance/ 0809ds3.pdf