Aurélie 04/06/08
 

 

Réactions totales ? autour de l'ammoniac bac S Amérique du Nord 2008.

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Les trois parties sont indépendantes.

La synthèse industrielle de l'ammoniac s'effectue en phase gazeuse. Les réactifs dihydrogène et diazote sont introduits en proportions stoechiométriques. La réaction a lieu en présence d'un catalyseur qui est du ruthénium sur un support de graphite, sous une pression comprise entre 100 Bar et 200 bar et à une température comprise entre 350°C et 500 °C. ( d'après http://www.iupac.org )

L'équation associée à la réaction de synthèse est

N2(g) + 3H2(g) = 2NH3(g).

Dans un réacteur, on mélange 100 mol de diazote et 300 mol de dihydrogène. Le taux d'avancement final est t = 0,70.

Donner l'expression du taux d'avancement final et la signification des termes utilisés.

t = xfin / xmax ; xfin avancement final (mol) et xmax avancement maximal (mol).

La réaction de synthèse de l'ammoniac est-elle une réaction totale ? Justifier.

Le taux d'avancement final est inférieur à 1 : la réaction est limité, elle n'est pas totale.

Etablir le tableau d'avancement relatif à cette réaction.

En déduire la composition finale en quantité de matière du mélange.


avancement (mol)
N2(g)
+ 3H2(g)
= 2NH3(g).
initial
0
100
300
0
en cours
x
100-x
300-3x
2x
fin ( si réacrion totale)
xmax
100-xmax=0
300-3xmax=0
2xmax
fin ( si réacrion limitée)
xfin = 0,7 xmax =70
100-xfin =30
300-3xfin =90
2xfin =140


Quel intérêt à t-on du point de vue microscopique à choisir une température élevée lors d'une transformation chimique ?

Le nombre de chocs efficaces entre molécules est plus important : la vitesse de la réaction augmente.

Quel est le rôle du catalyseur dans la synthèse de l'ammoniac ?

Accélère la réaction : l'équilibre est plus rapidement atteint ; sa composition n'est pas modifiée.


 

La solution aqueuse d'ammoniac.

Volume molaire des gaz : Vm=24 L/mol ; produit ionique de l'eau Ke = 10-14.

Un volume gazeux d'ammoniac v = 0,24 L est dissout dans de l'eau distillée pour obtenir Vs=1,0 L de solution aqueuse d'ammoniac S.

Donner l'expression, puis calculer la quantité de matière d'ammoniac n0 contenue dans le volume gazeux v.

n0 = v/Vm = 0,24/24 = 1,0 10-2 mol.

Le pH de la solution est mesuré et à pour valeur 10,6.

Rappeler la définition d'une base selon Bronsted.

Espèce, ion ou molécule susceptible de libérer un proton H+.

Ecrire l'équation de la réaction modélisant la transformation chimique de l'ammoniac avec l'eau.

NH3 aq + H2O(l) = NH4+aq + HO-aq. (1)

Calculer la quantité de matière d'ion hydroxyde présents dans la solution S.

[HO-]= Ke / [H3O+]= 10-14/ 10-10,6 = 10-3,4 =4,0 10-4 mol/L.

La transformation chimique associée à la réaction est-elle totale ? Justifier.

xmax = n0 = 1,0 10-2 mol ; xfin = [HO-] Vs = 4 10-4 mol ; t = xfin/xmax = 4 10-4/10-2 = 4 10-2.

Le taux d'avancement est inférieure à 1 : la réaction est limitée.

 





 

Web

www.chimix.com


Donner l'expression de la constante d'équilibre associée à l'équation (1) et déterminer sa valeur.

K = [HO-aq][NH4+aq] / [NH3 aq].


avancement (mol)
NH3 aq
+ H2O(l)
= NH4+aq
+ HO-aq
initial
0
n0 = 0,01
solvant en grand excès
0
0
en cours
x
n0-x
x
x
fin ( si réacrion totale)
xmax = n0
n0 -xmax=0
xmax
xmax
fin ( si réacrion limitée)
xfin = t xmax =t n0
n0 -xfin =n0(1-t )

xfin =t n0
xfin =t n0
Le volume étant de 1 L on peut confondre quantité de matière et concentration .

K =(t n0)2 / (n0(1-t )) = n0t2/ (1-t ) = 0,01*0,042/(1-0,04) =1,67 10-5 ~ 1,7 10-5.

En déduire la constante d'acidité Ka du couple NH4+aq / NH3 aq.

Or la constante d'acidité du couple NH4+aq / NH3 aq s'écrit :

Ka = [NH3 aq] [H3O+ aq] / [NH4+aq] soit : [NH4+aq] / [NH3 aq] = [H3O+ aq] /Ka .

Repport dans l'expression de K : K = [HO-aq][H3O+ aq] /Ka .

K= Ke/Ka d'où Ka =Ke/ K = 10-14/1,67 10-5 =6,1 10-10.


Etude d'un mélange d'acide éthanoïque et d'une solution aqueuse d'ammoniac.

pKa ( NH4+/NH3)= 9,2 ; pKa ( CH3COOH/CH3COO-) =4,8.

Expérience :

Etat initial : dans un becher on introduit VA= 100,0 mL d'une solution d'acide éthanoïque de concentration cA= 0,10 mol/L et VB = 40,0 mL d'une solution aqueuse d'ammoniac de concentration cB=0,50 mol/L. Dans cet état on néglige la présence d'ion CH3COO- et NH4+.

Etat d'équilibre : le pH du mélange est mesuré est vaut pH= 9,2.

La transformation chimique qui a lieu est modélisée par la réaction chimique d'équation

CH3COOH aq+NH3 aq = CH3COO- aq + NH4+ aq ( (2)

Donner l'expression littérale puis calculer le quotient de réaction du système Qr éq dans l'état d'équilibre.

Qr éq = 10-4,8 +9,2 = 104,4 = 2,5 104.

Quel est la valeur du quotient Qr i de réaction dans l'état initial ? Le comparer à Qr éq et conclure sur l'évolution du système.

Qr i =[CH3COO- ]i [NH4+]i /([CH3COOH]i [NH3]i ).

Or [NH4+]i ~[CH3COO- ]i~ 0 ; en conséquence Qr i ~0.

Le quotient initial étant inférieure à Qr éq, le système évolue spontanément dans le sens direct.




Pour le couple NH4+ /NH3, tracer le diagramme de prédominance des espèces en fonction du pH.

En déduire la relation entre [NH3]éq et [NH4+]éq dans le mélange étudié.

Le pH du mélange est mesuré est vaut pH=pKa(NH4+ /NH3)= 9,2, donc [NH3]éq = [NH4+]éq

Donner, en le justifiant, la relation entre [NH4+]éq et [CH3COO- ]éq.


avancement (mol)
CH3COOH aq
+NH3 aq
= CH3COO- aq
+ NH4+ aq
initial
0
VA cA = 0,01
VB cB = 0,02
0
0
en cours
x
0,01 -x
0,02-x
x
x
fin ( si réacrion totale)
xmax = 0,01
0,01-xmax=0
0,02-xmax= 0,01
xmax= 0,01
xmax= 0,01
fin ( si réacrion limitée)
xfin = t xmax
0,01- xfin
0,02- xfin
xfin
xfin
[NH4+]éq =[CH3COO- ]éq.

La mesure de la conductivité de la solution S a permis de connaître la concentration en ion ammonium à l'équilibre. Sa valeur est 7,1 10-2 mol/L.

En déduire la quantité de matière des espèces NH4+, CH3COO-, NH3 et CH3COOH présentes dans le mélange à l'équilibre.

[NH4+]éq =7,1 10-2 mol/L ; volume de la solution 0,14 L

xfin = n(NH4+) = 7,1 10-2*0,14 =9,94 10-3 ~9,9 10-3 mol.

n(CH3COO-) = n(NH4+) =n(NH3) = ~9,9 10-3 mol.

n(CH3COOH ) =0,01- xfin =0,01-9,94 10-3 ~6,0 10-5 mol.

La transformation chimique entre l'acide éthanoïque et l'ammoniac modélisée par la réaction chimique d'équation (2) est-elle totale ?

t = xfin /xmax = 9,94 10-3 /0,01 = 0,994, valeur très proche de 1 : la transformation peut être considérée comme totale.

 

 






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