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COURS DE CHIMIE MINERALE ET ORGANIQUE Proposé par Mr KUATE WAFO Benoit Voulons

COURS DE CHIMIE MINERALE ET ORGANIQUE Proposé par Mr KUATE WAFO Benoit Voulons Année académique 2020-2021 INSTITUT SUPERIEUR D'AGRICULTURE ET DE GESTION D'OBALA Exercices et problèmes corrigés de thermodynamique chimique 11 PARTIE A: CHIMIE MINERALE III Prérequis LES MESURES! Comme toute science, la chimie doit mesurer les phénomènes qui font l'objet de ses observations. Il existe toujours une limite à la qualité des mesures : cette limite est déterminée par la précision et l'exactitude des instruments de mesure. On doit donc se convaincre que l'expression d'un résultat doit ménager une réflexion sur la marge d'erreur qu'il entraîne. Prenons un exemple: soit un objet dont on souhaite mesurer la longueur avec un mètre- ruban. Il est évidemment utopique d'espérer une mesure dont la précision soit inférieure au millimètre (p.ex. on peut mesurer une longueur de 15,2 cm, mais il est impossible d'apprécier la longueur au dixième de mm). D'autre part, la qualité de l'instrument (mètre-ruban) est, dans ce cas-ci, toute relative et on peut craindre qu'il existe une erreur sur l'exactitude de la mesure (erreur par excès ou par défaut, le mètre étant relativement souple). L'expression du résultat sera donc entachée de deux défauts: * sa précision sera limitée au millimètre (15,2 cm et non pas 15,23 cm), * il subsistera une incertitude quant à l'exactitude de la mesure (15,2 cm avec une marge d'erreur possible de ± 0,1 cm). Si on souhaite plus de précision, on devra utiliser un instrument plus évolué (ex. un pied à coulisse) et, si cet instrument est de qualité (s'il a été soigneusement étalonné), il fournira aussi une meilleure certitude quant à la mesure (p.ex. il permettra de mesurer au centième de cm: 15,23 cm± 0,01cm). LES UNITES DE MESURE La mesure de toute grandeur s'effectue toujours en relation avec un étalon. Dans l'exemple pris ci-dessus, il s'agit du mètre (ou de ses sous-multiples), grandeur conventionnelle acceptée par tous les états du monde. Une multitude d'autres unités ont aussi dû être définies pour satisfaire au très grand nombre de mesures différentes qui se sont développées en physique aussi bien qu'en chimie. Dans un soucis de rationalisation, un système unique d'unités a été adopté : il s'agit du SYSTEME INTERNATIONAL (SI) et de ses Unités de base. Grandeur Physique Symbole de la grandeur Unité S.I. Symbole de l'unité Longueur l mètre m Masse m kilogramme kg Temps t seconde s courant électrique I ampère A Température thermodynamique T kelvin K Intensité lumineuse Iv candela cd quantité de matière n mole mol Sur ces grandeurs-étalons s'élaborent toutes les autres unités: Exemples : une vitesse s'exprime en mètre par seconde ( ! m s ) une concentration en moles par litre ( ! mol L ) IV Unités associées S.I. Grandeur Physique Symbole Unité Symbole Expression de l'unité Fréquence ! hertz Hz s-1 F o r c e F newton N kg.m.s-2 = J.m-1 Energie E joule J N.m = kg.m2s-2 = C.V = V.A.s Puissance P watt w J.s-1 = kg.m2s-3 = V.A Charge électrique Q coulomb C A.s P o t e n t i e l électrique V , " volt V J.A-1s-1 = kg.m2s-3A-1 Résistance électrique R ohm " V A-1 = kg m2s-3A-2 C a p a c i t é électrique C farad F C.V-1 = A2s4kg-1m-2 P r e s s i o n P , p pascal Pa N.m-1 = kg.m-1s-2 Conventions d’écriture: dans un souci de clarté: * nous prendrons l'habitude de reporter au numérateur les unités du dénominateur en leur affectant un exposant négatif : ! m s = m s-1 plutôt que m/s ! mol L = mol L-1 plutôt que mol/L ! kg m3 = kg m-3 * on veillera à exprimer les nombres très grands ou très petits par une mantisse que multiplie le nombre dix affecté de l'exposant adéquat. Exemples : 947.310.000 = 9,4731 x 108 = 9,4731 108 0,000001083 = 1,083 x 10-6 = 1,083 10-6 Le nombre de chiffres significatifs de la mantisse dépend de la précision avec laquelle on estime pouvoir exprimer le résultat d'un calcul, d'une mesure, ... Exemple : soit à diviser 10 par 3 ! 10 3 = 3,33333333 ... où s'arrêter ? Des mesures courantes s'effectuent le plus souvent avec une précision de l'ordre du pour cent. Il est à ce moment inutile d'exprimer le résultat d'un calcul faisant intervenir ces mesures par plus de trois chiffres significatifs. Exemple : un mobile parcourt une distance de 10 m en trois secondes: quelle est sa vitesse (mesure effectuée à quelques pour cent près) ? Réponse : v = ! 10m 3s = 3,33 ! m s Le nombre 10 affecté d'un exposant (positif ou négatif), multiple de trois est souvent remplacé par un préfixe. Exemple : 2.000 grammes = 2 103 g = 2 kg Ces préfixes sont les suivants : V Multiples Sous-multiples Symbole Symbole 103 kilo k 10-3 milli m 106 méga M 10-6 micro µ 109 giga G 10-9 nano n 1012 téra T 10-12 pico p 1015 pèta P 10-15 femto f Quelques relations utiles Quelques unités non conventionnelles restent couramment utilisées à ce jour, même si leur usage n'est plus recommandé. Grandeur Nom Symbole Valeur distance Angström Å 1Å= 10-10m = 0,1 nm = 100 pm énergie Calorie cal 1cal= 4,184J électron volt eV 1eV=1,602189.10-19J # 96,485 kJ.mol-1 # 8065,5 cm-1 centimètre moins un cm-1 1000cm-1 # 1,986.10-20 J # 11,96 kJ.mol-1 # 0,124 eV moment dipolaire Debye D 1D = 3,33564.10-30 C.m pression Atmosphère Atm 1Atm= 101,325 kPa = 1,01325.105 N.m-2 ________________________________________________________________________________________________ # désigne une correspondance. Quelques constantes physiques!: Vitesse de la lumière c 2,997925.108 m.s-1 Nombre d'Avogadro NA 6,02205.1023 mol-1 Charge du proton e 1,60219.10-19 C Charge de l'électron -e -1,60219.10-19 C Constante de Faraday F = e. NA 9,64846.104 C.mol-1 Constante de Boltzmann k 1,38066.10-23 J.K-1 Constante des gaz parfaits R=k. NA 8,31441 J.K-1.mol-1 (8,20575.10-2 L Atm.K-1.mol-1) Constante de Planck h 6,62618.10-34 J.s Unité de masse atomique u = ! 10"3kg NA mol 1,66056.10-27 kg VI Masse de l'électron me 9,10953.10-31 kg Masse du proton mp 1,67265.10-27 kg Masse du neutron mn 1,67495.10-27 kg Permittivité du vide $0 8,854188.10-12 J-1.C2.m-1 Rayon de Bohr a0 5,29177.10-11 m Constante de Rydberg R% 2,179908.10-18 J Constante gravitationnelle G 6,6720.10-11 N.m2.kg-2 QUELQUES RAPPELS INDISPENSABLES LES PROPRIETES DES GAZ PARFAITS Un gaz parfait est un gaz (idéal) dont les entités constitutives (molécules ou atomes) n’exercent entre elles aucune force d’attraction. En outre, les dimensions de ces entités sont considérées comme nulles (négligeables). Les seules interactions possibles se résument à des collisions parfaitement élastiques. La plupart des gaz que nous utilisons peuvent être considérés comme parfait (quasi parfaits). Le comportement de ces gaz répond à des lois bien définies. Ces lois sont indépendantes de la nature du gaz. Ceci est une propriété importante puisque l’hydrogène, le chlore, l’hélium, l’azote, l’oxygène, le fluor gazeux répondent aux mêmes lois, que nous allons brièvement rappeler ci-dessous. COMPORTEMENT DES GAZ PARFAITS à TEMPERATURE CONSTANTE : LA LOI DE BOYLE et MARIOTTE Soit une expérience au cours de laquelle un certain volume de gaz est progressivement comprimé, tout en lui conservant une température constante. Imaginons ce gaz à la température de 26,85°C (300 K), avec un volume initial de 20,0 litres (0,0200 m3) et sous une pression de 100.000 Pa (100 kPa). On augmente progressivement la pression et on mesure l'évolution (diminution) du volume du gaz. Le tableau ci-dessous donne quelques mesures-repères ainsi obtenues!: Relation pression – volume pour un gaz maintenu à température constante (300 K). Volume (L) Pression (kPa) 20,00 100 10,00 200 5,00 400 2,50 800 1,25 1600 0,67 3200 En graphique (partiel), cela donne!: 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 5 10 15 20 25 30 V(L) P(kPa) En d'autres termes, pour un gaz parfait, on observe que le Produit PV est Constant à température constante. VII Lorsque la température est maintenue constante à une autre valeur, la même loi est obtenue, mais la constante prend une valeur différente. EVOLUTION DES GAZ PARFAITS sous l'effet de la TEMPERATURE LA LOI DE CHARLES Le volume occupé par un gaz (parfait) à pression constante est directement proportionnel à sa température. Pour chaque gaz, la relation V = f(T) est une droite. Si une autre pression est choisie et maintenue constante, l’expérience retrouve une droite, de pente différente, mais toutes les droites observées tendent par extrapolation à volume nul, vers une valeur unique!: -273,15°C. Cette constatation montre qu'il s'agit là de la température la plus basse possible (le zéro absolu). L’échelle de température peut donc être redéfinie en une température absolue, le Kelvin (K!; K= °C +273,15) Pour toute substance, la température du zéro absolu correspond à l'immobilité des atomes et des molécules. On comprend dès lors qu'il s'agit bien d'un minimum absolu! 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -300 -200 -100 0 100 200 300 Température (°C) Volume -273°C=0K LA LOI des PRESSIONS PARTIELLES de DALTON Tous les gaz (parfaits) présentant les mêmes propriétés physiques, des mélanges de gaz uploads/Sante/ cours-de-chimie-minerale-iao.pdf