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Transformations chimiques 2 – Travaux dirigés Langevin-Wallon, PTSI 2017-2018 I

Transformations chimiques 2 – Travaux dirigés Langevin-Wallon, PTSI 2017-2018 Introduction à l’équilibre chimique Transformations chimiques 2 – Travaux dirigés Langevin-Wallon, PTSI 2017-2018 Introduction à l’équilibre chimique Exercices Exercice 1 : Manipulation de constantes d’équilibre [♦♦♦] On donne les constantes d’équilibre associées aux transformations suivantes : (1) Ag+ (aq) + Br– (aq) − − → ← − − AgBr(s) K◦ 1 = 1012 (2) Ag+ (aq) + 2CN– (aq) − − → ← − − Ag(CN)– 2(aq) K◦ 2 = 1021 (3) 2Ag+ (aq) + H2(g) + 2H2O − − → ← − − 2 Ag(s) + 2H3O+ (aq) K◦ 3 = 1027 En déduire les constantes d’équilibre des réactions (A) AgBr(s) + 2CN– (aq) − − → ← − − Ag(CN)2(aq) – + Br– (aq) K◦ A (B) 2Ag(s) + 2Br– (aq) + 2H3O+ (aq) − − → ← − − 2AgBr(s) + H2(g) + 2H2O K◦ B Exercice 2 : Équilibre en solution aqueuse [♦♦♦] Considérons un système de volume 20 mL évoluant selon la réaction d’équation bilan CH3COOH(aq) + F− (aq) = CH3COO− (aq) + HF(aq) . Sa constante d’équilibre à 25 ◦C vaut K◦= 10−1,60 = 2,5 · 10−2. Déterminer le sens d’évolution du système et l’avancement à l’équilibre en partant des deux situations initiales suivantes. 1 - [CH3COOH]i = [F−]i = c = 0,1 mol · L−1 mais [CH3COO−]i = [HF]i = 0. 2 - [CH3COOH]i = [F−]i = [CH3COO−]i = [HF]i = c = 0,1 mol · L−1. Exercice 3 : Pentachlorure de phosophore [♦♦♦] Le pentachlorure de phosphore PCl5 est un composé très toxique, servant de réactif en synthèse organique pour ajouter des atomes de chlore à une chaîne carbonée. Mis en phase gazeuse, il se décompose spontanément en trichlorure de phosphore et en dichlore, donnant naissance à un équilibre en phase gazeuse. Considérons un réacteur fermé de volume constant V = 2 L maintenu à température constante T = 180 ◦C. À cette température, la constante thermodynamique de l’équilibre précédemment cité vaut K◦= 8. On y met n0 = 0,5 mol de PCl5. 1 - Écrire l’équation de réaction modélisant le processus dans le réacteur. 2 - Construire le tableau d’avancement relatif à cette réaction. 3 - Exprimer les pressions partielles des gaz en fonction de n0, de l’avancement ξ et de la pression initiale p0. 4 - Calculer le coeﬃcient de dissociation à l’équilibre α = ξéq/n0. Que représente-t-il physiquement ? 5 - Calculer la pression régnant dans le réacteur à l’équilibre. Exercice 4 : Production industrielle de chaux vive [♦♦♦] La chaux vive, solide blanc de formule CaO, est un des produits de chimie industrielle les plus communs. Utilisée depuis l’Antiquité, notamment dans le domaine de la construction, elle est aujourd’hui utilisée comme intermédiaire en métallurgie. Elle est obtenue industriellement par dissociation thermique du calcaire CaCO3 dans un four à T = 1100 K. On modélise cette transformation par la réaction CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g) 1/3 Étienne Thibierge, 16 mars 2018, www.etienne-thibierge.fr TD TC2 : Introduction à l’équilibre chimique Langevin-Wallon, PTSI 2017-2018 La constante d’équilibre de cette réaction vaut K = 0,358 à 1100 K. 1 - Dans un récipient de volume V = 10 L préalablement vide, on introduit 10 mmol de calcaire à température constante T = 1100 K. Déterminer le sens d’évolution. Quels sont les états ﬁnaux possibles ? 2 - Supposons que l’état ﬁnal est un état d’équilibre. Déterminer la quantité de matière de calcaire qui devrait avoir réagi. Conclure. 3 - Quelle quantité maximale de calcaire peut-on transformer en chaux dans ces conditions ? Exercice 5 : Combustion du soufre [♦♦♦] On introduit dans un creuset à combustion une masse m = 0,30 g de ﬂeur de soufre (soufre pur solide se présentant sous forme d’une poudre jaune). On enﬂamme le soufre avec un bec bunsen et on place immédiatement le creuset dans un ﬂacon de volume V = 1,0 L contenant de l’air sous pression initialement de P = 1,0 bar. On referme herméti- quement le ﬂacon. On observe alors une combustion lente du soufre dans l’air avec une ﬂamme bleue caractéristique. On modélise cette transformation par une réaction chimique d’équation bilan S(s) + O2(g) = SO2(g) . On rappelle que l’air est un mélange constitué de 80 % de diazote et 20 % d’oxygène. Les pourcentages corres- pondent aux fractions molaires. Bien qu’étant présent dans le ﬂacon, le diazote n’est ni un réactif ni un produit de la transformation. Même si la température augmente légèrement pendant la combustion avant de redescendre ensuite, on admet pour simpliﬁer qu’elle est toujours voisine de T = 25 ◦C. À cette température, la constante d’équilibre de la réaction de combustion vaut K◦= 4 · 1052. Données : ▷masses molaires MO = 16,0 g · mol−1 et MS = 32,1 g · mol−1 ; ▷constante des gaz parfaits R = 8,31 J · mol−1 · K−1. 1 - Calculer les quantités de matière initiales de soufre, de dioxygène et de diazote contenues dans le ﬂacon. 2 - Construire le tableau d’avancement de la réaction. Identiﬁer le réactif limitant. La réaction peut-elle être totale ou est-elle forcément équilibrée ? 3 - Que peut-on dire de la quantité de matière totale de gaz au cours de la transformation ? Qu’en déduit-on pour la pression ? 4 - Déterminer la composition ﬁnale du système : masse restante de soufre et pression partielle des diﬀérents gaz. Annale de concours Exercice 6 : Formation de SiC par CVD [écrit Centrale TSI 2016, ♦♦♦] Document 1 : La face optique des miroirs des instruments spatiaux peut être revêtue de SiC par dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD pour l’anglais « chemical vapor deposition ») aﬁn de masquer toute porosité résiduelle et obtenir ainsi une surface polissable parfaite. Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est un procédé utilisé pour produire des matériaux solides de grande pureté et sous forme de couches minces. Dans ce procédé, un solide inerte servant de support est exposé à un ou plusieurs composés chimiques en phase gazeuse qui se décomposent à sa surface pour former le matériau désiré. Généralement, plusieurs réactions se produisent conjointement, les produits des réactions indésirables étant évacués par un ﬂux gazeux traversant en continu la chambre réactionnelle. De nombreux composés chimiques sont utilisés pour produire des ﬁlms minces de SiC. Parmi ceux-ci, le méthyl- trichlorosilane MTS CH3SiCl3 est très souvent choisi. La réaction se déroule sur un solide en graphite, à température élevée et sous pression réduite. Elle se déroule dans un courant de dihydrogène et, d’un point de vue microscopique, en deux étapes : une décomposition du MTS en présence de dihydrogène pour former des produits intermédiaires gazeux suivie d’une réaction entre ceux-ci pour former le carbure de silicium solide. La transformation peut être modélisée par l’équation bilan globale CH3SiCl3(g) = SiC(s) + 3 HCl(g) . 2/3 Étienne Thibierge, 16 mars 2018, www.etienne-thibierge.fr TD TC2 : Introduction à l’équilibre chimique Langevin-Wallon, PTSI 2017-2018 On étudie dans cette partie la réaction présentée dans le document 1 à température T1 = 870 K, où sa constante thermodynamique d’équilibre vaut K◦(T1) = 10. On considère une enceinte vide, thermostatée à la température T1, dans laquelle on introduit une quantité n = 1,0 mol de MTS. La pression p dans l’enceinte est maintenue constante. 1 - Exprimer le quotient réactionnel Qr de la réaction en fonction des pressions partielles des espèces gazeuses présentes dans le milieu réactionnel et de la pression standard P ◦. Le taux de décomposition α du MTS est déﬁni par le quotient de la quantité de MTS ayant réagi sur la quantité initiale de MTS introduite. 2 - Exprimer les pressions partielles des diﬀérentes espèces gazeuses présentes en fonction de p et α. 3 - En déduire une équation dont la résolution donne la valeur αéq à l’équilibre. La résolution, non demandée, donne αéq = 0,80. 4 - En déduire la quantité de matière de carbure de silicium solide formée. 3/3 Étienne Thibierge, 16 mars 2018, www.etienne-thibierge.fr TD TC2 : Introduction à l’équilibre chimique Langevin-Wallon, PTSI 2017-2018 4/3 Étienne Thibierge, 16 mars 2018, www.etienne-thibierge.fr Transformations chimiques 2 – Correction des travaux dirigés Langevin-Wallon, PTSI 2017-2018 Introduction à l’équilibre chimique Transformations chimiques 2 – Correction des travaux dirigés Langevin-Wallon, PTSI 2017-2018 Introduction à l’équilibre chimique Exercices Exercice 1 : Manipulation de constantes d’équilibre Pour identiﬁer les combinaisons linéaires de réaction impliquées, repérer les espèces chimiques qui n’interviennent que dans une seule des réactions de référence. Ici, il s’agit par exemple de H2(g) ou Ag(CN)– 2(aq), mais surement pas de Ag+ (aq) qui intervient dans chacune des réactions. La réaction (A) est combinaison linéaire de la réaction inverse de (1) et de la réaction (2), où les nombres stoëchiométriques sont les mêmes. Ainsi, K◦ A = K◦ 2 K◦ 1 = 109 . La réaction (B) est combinaison linéaire de la réaction inverse de (3) et de la réaction (1) dont les nombres stoëchiométriques sont doublés. Ainsi, K◦ B = (K◦ 1)2 K◦ 3 = 10−3 . Exercice 2 : Équilibre en solution aqueuse 1 uploads/Finance/ td-tc2-eq-chim.pdf