Aurélie 20/03/08
 

 

Analyse détaillée d'exercices réalisés sous forme de QCM.

autour du couple acide base ion ammonium / ammoniac ; calcul de pH

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Calcul de pH.

Texte : on mélange les solutions aqueuses suivantes ; on obtient la solution notée S.
- 40 mL de chlorure de potassium ( K+ ; Cl-) à 0,02 mol/L.
- 10 mL d'hydroxyde de potassium ( K+ ; HO-) à 0,05 mol/L.

- 20 mL d'hydroxyde de sodium ( Na+ ; HO-) à 0,015 mol/L.

- 20 mL d'acide sulfurique ( 2H3O+ ; SO42-) à 0,01 mol/L.

- 10 mL d'acide chlorhydrique ( H3O+ ; Cl-) à 0,030 mol/L.

On considère l'acide sulfurique comme un diacide fort.

Analyse :

Questions traitant des propriètés acido-basiques des ions présents.

Les ions Na+, K+, Cl-, SO42- ne sont ni des acides ni des bases.

L'ion oxonium H3O+ est l'acide du couple acide / base : H3O+ /H2O.

L'ion hydroxyde HO- est la base du couple acide / base : H2O /HO-.

Questions traitant des réactions acido-basiques possibles.

Une seule possibilité : H3O+ + HO-= 2H2O .

Questions traitant des quantités finales de matière d'ion oxonium ou hydroxyde et du pH .

Quantité de matière (mol) = concentration (mol/L) * volume (L).

L'acide sulfurique étant un diacide, la concentration [H3O+] est égale à deux fois la concentration molaire en soluté apporté soit 0,02 mol/L.

n(H3O+) initiale= 20 10-3 * 0,02 + 10 10-3 * 0,03 = 7 10-4 mol.

n(HO-) initiale= 10 10-3 * 0,05 + 20 10-3 * 0,015 = 8 10-4 mol



avancement (mol)
H3O+
+ HO-
= 2H2O
initial
0
7 10-4
8 10-4
solvant en large excès
en cours
x
7 10-4-x
8 10-4-x
fin
xmax
7 10-4-xmax
8 10-4-xmax
7 10-4
0
1 10-4


Si H3O+ est en défaut :7 10-4-xmax=0 ; xmax=7 10-4 mol

Si HO- est en défaut :8 10-4-xmax=0 ; xmax=8 10-4 mol

H3O+ est en défaut.

n(HO-) initiale=10-4 mol dans V= 100 mL = 0,1 L

[HO-]= 10-3 mol/L ;

Produit ionique de l'eau :[
H3O+ ][ HO-]= 10-14 à 25°C.

[ H3O+ ] = 10-14 / [ HO-]= 10-11 mol/L ; pH = - log [ H3O+ ] = - log 10-11 ; pH= 11.

Les affirmations contenant l'une des informations ci-dessus sont donc exactes.


 

Expression du quotient de réaction.

Texte : réaction acido-basique de acide noté AH avec l'eau.

Couples acide / base : AH / A- pKa = 4,8 ; H3O+ / H2O.

Analyse :

Questions traitant de la réaction acido-basique possible.

AH + H2O = A- + H3O+.

Ka = [A-][H3O+] / [AH] = 10-4,8.

Ka est faible, la réaction est donc très limitée.

On note C la concentration de soluté AH, x l'avancement de la réaction, V le volume réactionnel constant, y l'avancement volumique de la réaction défini par : y= x/V, Qr le quotient de la réaction.

Questions traitant de l'expression du quotient de réaction.

Qr = [A-][H3O+] / [AH].

L'eau ne figure pas dans cette expression.


avancement (mol)
AH
+ H2O
= A-
+H3O+
initial
0
CV
solvant en large excès
0
0
en cours
x
CV-x
x
x
à l'équilibre
xéq
CV-xéq
xéq
xéq
[A-] = [H3O+] = x/V = y. [AH] =C-x/V = C-y.

Qr = (x/V)2/(C-x/V)

Qr = y²/(Ca-y).

Les affirmations contenant l'une des informations ci-dessus sont donc exactes.

 





 

Web

www.chimix.com


Ammoniac et acide chlorhydrique.

Texte : à un volume V1 = 25 mL d'une solution d'acide chlorhydrique de concentration c1 = 3,0 10-2 mol, on ajoute un volume V2 = 75 mL d'une solution aqueuse d'ammoniac de concentration c2 = 2,0 10-2 mol/L. Soit S la solution résultant du mélange.

Couples acide / base : NH4+/NH3 pKa = 9,2 ; H2O/HO- ; H3O+/H2O.

On rappelle que pH=pKa + log ( [base conjuguée]/ [acide ]).

Analyse :

Question traitant de la réaction acido-basique possible.

Au départ S contient les ions H3O+, Cl- ( acide chlorhydrique), NH3 ( ammoniac), H2O.

Cl- ne possède aucune propriété acido-basique.

H3O+ est l'acide du couple H3O+/H2O de pKa = 0 : il s'agit d'un acide fort.

NH3est la base du couple NH4+/NH3 de pKa = 9,2 : il s'agit d'une base dont l'action sur l'eau est limitée.

H3O+ + NH3 = NH4+ + H2O.

Question traitant du caractère total ou limité de la réaction.

K = [NH4+] / ( [H3O+][NH3] ) =1/Ka = 109,2.

La constante de réaction K est grand, la réaction est donc totale.

Questions traitant de l'excès de l'un des réactifs et du pH final.

Quantités de matière initiales des réactifs : concentration (mol/L) * volume (L) 

n(H3O+) =V1c1 = 0,025*0,03 = 7,5 10-4 mol ; n(NH3) =V2c2 = 0,075*0,02 = 1,5 10-3 mol.


avancement (mol)
NH3
+H3O+
= H2O
+ NH4+
initial
0
1,5 10-3
7,5 10-4
solvant en large excès
0
en cours
x
1,5 10-3 -x
7,5 10-4 -x
x
fin
xmax =7,5 10-4
1,5 10-3 -xmax

= 7,5 10-4

7,5 10-4 -xmax=0
xmax

= 7,5 10-4

 si H3O+ est en défaut : 7,5 10-4 -xmax = 0 soit xmax =7,5 10-4 mol

 si NH3 est en défaut : 1,5 10-3 -xmax = 0 soit xmax = 1,5 10-3 mol

La solution S contient finalement 7,5 10-4 mol d'ammoniac et 7,5 10-4 mol d'ion ammonium : [NH3] =[NH4+]

Or pH = pKa + log ([NH3] /[NH4+] ) ; pH = pKa = 9,2.

Les affirmations contenant l'une des informations ci-dessus sont exactes

 




chlorure d'ammonium et soude

Texte : à V1=50 mL d'une solution de chlorure d'ammonium de concentration c1=0,10 mol/L on ajoute V2 = 10 mL d'une solution de soude de concentration c2=0,40 mol/L.On note S la solution obtenue. Couples acide base : NH4+/NH3 ; pKa = 9,2 ; H2O/HO-.

Analyse :

Question traitant de la réaction acido-basique possible.

Au départ S contient les ions NH4+, Cl- ( chlorure d'ammonium), HO- et Na+ ( soude), H2O.

Cl- , Na+ ne possèdent aucune propriété acido-basique.

NH4+ est l'acide du couple NH4+/NH3 de pKa = 9,2 : il s'agit d'un acide faible.

HO- est la base du couple H2O/HO- de pKa = 14 : il s'agit d'une base dont l'action sur l'eau est totale.

NH4+ aq+ HO- aq = NH3 aq + H2O.

Il ne s'agit en aucun cas du gaz ammoniac NH3(g).

Question traitant du caractère total ou limité de la réaction.

K = [NH3] /([NH4+][HO-] ).

Or Ka = [H3O+][NH3] / [NH4+] soit [NH3] / [NH4+] = Ka / [H3O+]

par suite K = Ka / ([H3O+][HO-] ) = Ka /Ke = 10-9,2 / 10-14 = 104,8.

La constante de réaction K est grand, la réaction est donc totale.

Questions traitant de l'excès de l'un des réactifs et du pH final.

Quantités de matière initiales des réactifs : concentration (mol/L) * volume (L) 

n(NH4+) =V1c1 = 0,050*0,1 = 5 10-3 mol ; n(HO-) =V2c2 = 0,010*0,4 = 4 10-3 mol.


avancement (mol)
NH4+
+HO-
= H2O
+ NH3
initial
0
5 10-3
4 10-3
solvant en large excès
0
en cours
x
5 10-3 -x
4 10-3 -x
x
fin
xmax

4 10-3

5 10-3 -xmax

10-3

4 10-3 -xmax

0

xmax

4 10-3

 si HO- est en défaut : 4 10-3 -xmax = 0 soit xmax = 4 10-3 mol

 si NH4+ est en défaut : 5 10-3 -xmax = 0 soit xmax = 5 10-3 mol

 Or pH = pKa + log ([NH3] /[NH4+] ) = 9,2 + log 4 ; pH = 9,8.

Questions traitant de la concentration finale des ions "spectateurs".

Volume de la solution S : V =50 +10 = 60 mL = 0,06 L.

quantité de matière : n(Cl-)début = n(Cl-)fin =n(NH4+)début = 5 10-3 mol

n(Na+)début = n(Na+)fin =n(HO-)début = 4 10-3 mol

[Na+] =4 10-3 /0,06 = 6,7 10-2 mol/L ; [Cl-] =5 10-3 /0,06 = 8,3 10-2 mol/L.

Les affirmations contenant l'une des informations ci-dessus sont exactes




Texte : mélange d'une solution aqueuse d'acide hypochloreux et une solution aqueuse d'ammoniac.

Les solutions ont le même volume V et la même concentration C.
Couples acide base : NH4+/NH3 ; pKa1 = 9,2 ; HClO/ClO- pKa2 = 7,3 ;

Analyse :

Question traitant de la réaction acido-basique possible.

pKa2 < pKa1 : l'acide HClO est plus fort que l'acide NH4+ d'où :

HClO + NH3 = NH4+ + ClO- ; K = [NH4+][ClO-] /([NH3][HClO])

or Ka1 = [NH3] [H3O+] /[NH4+] et Ka2 =[ClO-][H3O+] /[HClO]

K = Ka2/Ka1 =10-7,3 / 10-9,2 = 101,9 ; K= 79.

K étant assez grand la réaction est pratiquement quantitative dans le sens direct.

Question traitant de la composition finale du mélange.


avancement (mol)
HClO
+ NH3
= NH4+
+ ClO-
initial
0
n= CV
n= CV
0
0
en cours
x
n -x
n -x
x
x
fin
xéq
n -x éq
n -x éq
xéq
xéq
K =[xéq/(n -x éq )]2= 79 ; xéq/(n -x éq ) = 79½ =8,89

xéq = 8,89n -8,89xéq ; xéq =8,89/9,89 n =0,9 n.

HClO : 0,1 n ; NH3 : 0,1 n ; NH4+ : 0,9 n ; ClO- : 0,9 n

Question traitant du pH final.

pH = pKa1 + log ([NH3] /[NH4+]) =9,2 + log (1/9) = 8,2.

ou bien pH = pKa2 + log ([ClO-]/[HClO]) =7,3 + log 9 = 8,2.

L' espèce ultraminoritaire est l'ion oxonium.


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