Chimie : de l'atome aux molécules ; réactions acide base. prépa médecine

1. La liaison hydrogène.
C'est une action intermoléculaire ou intramoléculaire entre un atome d'hydrogène et un atome électronégatif comme l'oxygène, l'azote et le fluor. Elle est plus faible qu'une liaison covalente et plus forte qu'une liaison de Van der Waals.
A. Est une interaction électrostatique. Faux.
B. Est une liaison faible uniquement intermoléculaire. Faux.
C. Peut s'établir entre une amine tertiaire etune cétone vrai.
D. Peut s'établir entre une amine et un acide carboxylique vrai.
E. Contribue à la stabilisation de la conformation tridimentionnelle des édiifices moléculaires biologiques vrai.

(1) est la seule pouvant établir une liaison hydrogène intramoléculaire.
(1) et (2) peuvent établir des liaisons hydrogène intermoléculaires.
La température d'ébullition est d'autant plus élevée qu'il faut romptre des liaisons hydrogène intramoléculaires. La température d'ébullition de (1) est supérieure à celle de (2).
La température d'bullition de l'ester (3) est supérieure à celle de (2).

2. Schéma de Lewis

3. L'atome de fer ⁵⁶ ₂₆ Fe.
Possède : 26 protons, 56-26=30 neutrons et 23 électrons.
L'atome ⁵⁷Fe possède un neutron de plus que l'atome ⁵⁶Fe.
La masse molaire de l'atome ⁵⁶Fe est 56 u.m.a.

4. L'atome de scandium ⁴⁵₂₁ Sc.
Possède : 21 protons, 45-21=24 neutrons et 21 électrons.
La masse molaire de cet atome est 45 u.m.a.
Le fluor est l'atome qui a la plus forte électronégativité.

5. Titrage d'une solution de phénolate par l'acide chlorhydrique.
10 mL d'une solution de phénolate dont le pH vaut 10,9. Phénol / ion phénolate : pKa = 9,8.
V_équi = 20 mL.
pH = pKa + log ([A^- ] /[AH]) ; log ([A^- ] /[AH])= 10,9 -9,8 = 1,1 ; [A^- ] /[AH] =12,6.
[AH] =[A^- ] / 12,6 ~0,08 [A^- ]
C =[AH] +[A^- ] =1,08 [A^- ].
A l'équivalence : 10 [A^- ] = 20 C_HCl ; [A^- ] = 2 C_HCl ;
C = 1,08 x2 C_HCl = 2,16 C_HCl ;
La concentration initiale en ion phénolate est égale à 1,0 10^-2 mol / L.
C_HCl = 1,0 10^-2 / 2 =5,0 10^-3 mol / L.
AH formé réagit avec l'eau en donnant des ion hydronium ; le pH à l'équivalence est donc inférieur à 7.

6. Equilibre acido-basique.
La réaction entre CH₃COOH avec l'eau est partielle.
CH₃COO^- est une base faible.
La réaction entre CH₃COOH et NH₃ est quantitative.
NH₃ est une base faible.
CH₃COOH (pKa = 4,8) est un acide plus fort que NH₄⁺(pKa = 9,2).

7. Solution tampon phénol / ion phénolate de pH = 9 à partir d'une solution de phénol de concentration 0,05 mol / L.
On note AH le phénol et A^- sa base conjuguée tels que [AH] + [A^-] =0,010 mol / L.
pH = pKa + log ([A^- ] /[AH]) ; log ([A^- ] /[AH])= 9 -9,8 = -0,8 ; [A^- ] /[AH] = 10^-0,8 ~0,16.
Il faut ajouter de la soude à la solution initiale de phénol.

8. Triméthylamine et acide benzoïque.
(CH₃)₃N : C₁ = 0,10 mol / L ; (CH₃)₃NH⁺ / (CH₃)₃N : pKa1 = 9,9.
pH1 = 7+½pKa1 +½log C1 =7 +½(9,9+log(0,1) =11,45.
C₆H₅COOH : C₂ = 0,010 mol/ L. C₆H₅COOH / C₆H₅COO- : pKa2 = 4,2.
pH2 = ½pKa2 -½log C2 =½(4,2-log(0,01) =3,1.
La réaction entre l'acide benzoïque et la triméthylamine est quantitative. ( leurs domaines de prédominance sont disjoints).
pH de la solution obtenue après un mélange de deux volumes égaux de ces deux solutions :

état	(CH₃)₃N	+C₆H₅COOH	-->CH₃)₃NH⁺	+C₆H₅COO-
initial	0,10 V	0,01 V	0	0
final	0,10 V-0,01 V=0,09 V	0	0,01 V	0,01 V.

pH = 7+½ (9,9 + log (0,09)=11,4.

9. Acide fluorhydrique.
C= 0,1 mol / L ; pH = 2,1.
Cet acide est un acide faible : pH > - log (C).
pH = ½pKa-½log C ; pKa = 2 pH + log C = 4,2 +log 0,1) = 3,2.
On fait réagir une solution notée S2 de soude avec la solution précédente d'acide fluorhydrique notée S1.
La réaction est quantitative.
Si on ajoute une quantité adaptée de soude à la solution d'acide fluorhydrique,( titrage avec arrêt à la demi-équivalence), le pH de cette solution sera égal au pKa de l'acide fluorhydrique.

10. Acide monochloroacétique (solution notée S) + soude.
ClCH₂COOH / ClCH₂COO^- : pKa = 2,8.
On titre 20,0 mL de S par la soude de concentration Cb = 0,5 mol / L. Véqui = 8,0 mL.
8,0 x 0,5 = 20,0 C_S ; C_S= 0,2 mol / L.
A l'équivalence le pH est supérieur à 7.
AH + HO^- = A^- + H₂O. K = [A^-] / ([AH ] [HO^-]) = [A^-][H₃O⁺] / ([AH ] [HO^-][H₃O⁺])= Ka / Ke =10^-2,8 / 10^-14 = 10^11,2.
1 L de solution d'acide monochloroacétique est préparée en dissolvant 0,2 M(ClCH₂COOH) =0,2 *94,5 =18,9 g.

11. La L-alanine.
AH₂⁺ /AH^± pKa1 = 2 ; AH^±/ A^- pKa2 =9. Cette seconde acidité sera considérée comme négligeable.
Solution A : chlorhydrate d'alanine de concentration C = 1 mol / L notée A.
pH = ½pKa-½log C = 1.
pH = pKa + log ([AH^±] / [AH₂⁺]) ;log ([AH^±] / [AH₂⁺])= 1-2=-1 ; [AH^±] / [AH₂⁺] =0,1.
[AH^±] +[AH₂⁺] = 1 ; 0,1 [AH₂⁺] +[AH₂⁺] = 1 ; [AH₂⁺] =0,91.
On veut réaliser une solution tampon de pH = 5,5. Le mélange initial doit être constitué de 50 mL de solution A et de x mL de solution de soude à 1 mol / L.
AH₂⁺ +HO^- -->AH^± +H₂O.

état	avancement (mmol)	AH₂⁺	+HO^-	-->AH^±	+H₂O
initial	0	0,91 x50=45,5	x_f	0,091x50=4,55	solvant
final	x_f	45,5 -x_f	0	4,55 +x_f	solvant

[AH^±]_f =(4,55 +x_f) /(50 +x) ; [AH₂⁺]_f=(45,5 -x_f) /(50+x).
[AH^±] / [AH₂⁺] =(4,55 +x_f) / (45,5 -x_f)
pH = pKa + log ([AH^±] / [AH₂⁺]) ; 5,5 = 2 +log ([AH^±] / [AH₂⁺] ; log ([AH^±] / [AH₂⁺])=3,5 ; [AH^±] / [AH₂⁺]~3,2 10³.
3,2 10³(45,5 -x_f) =4,55 +x_f ; x_f ~45,48 mmol.
Il faut ajouter environ 45 mL de soude à 1 mol / L.

12. H₂S / HS^- .
- Solution de sulfure de sodium Na₂S à 0,1 mol / L : pH = 12,75.
pH d'une solution de base faible S^2-: pH = 7 +½pKa2 +½log C ; pKa2 = (12,75 x 2-14 -log(0,1))=12,5.

- Solution NaHS à 0,1 mol / L ; pH = 10.
pH =½ pKa1 +½pKa2 ; pKa1 = 20 -log 12,5 = 7,5.

- On mélange 1 L de solution de sulfure de sodium Na₂S à 0,1 mol / L et 3 L de solution de sulfure d'hydrogène à 0,1 mol / L.
Calcul de la concentration de l'ion HS^-.
S^2- + H₂S --> 2HS^-.
H₂S est en large excès ; n(S^2-) = 0,1 mol ; n(HS^-) =0,2 mol dans 4 L ; [HS^-]=0,2 / 4 =0,05 mol / L.
pH de cette solution : [H₂S] =0,2 / 4 =0,05 mol / L.
pH = pKa1 =7,5.

13. Titrage 50 mL acide benzoïque (pKa = 4,2) par la soude à 0,050 mol/ L.
- pH de la solution de soude ( base forte) : 14 + log C = 14 + log (0,05) =15,7..
- On verse 10 mL de soude ; pH du milieu réactionnel est égal à 4,2. ( demi équivalence du titrage).
A l'équivalence : 0,05 x 20 = 50 C ; C = 0,02 mol / L.
M(acide benzoïque) = 122 g / mol. Titre massique de l'acide benzoïque = 0,02 * 122 =2,44 g / L.
- pH de la solution à l'équivalence = pH d'une solution de base faible.
pH = 7 +½pKa + ½log( Ca Va /(Va+Vb)) = 7+2,1 +0,5 log(0,02 x50 /(50+20)) =9,1 -0,9 =8,2.

14. Acide ascorbique. pKa1 =4,17 ; pKa2 = 11,57.
Solution 1 : un comprimé de vitamine C est dissous dans 100 mL d'eau. Le pH de la solution est 2,86.
pH d'une solution d'acide faible : ½pKa1 -½log C ; 2,86 = 2,08 -½log C ; log C = -1,55 ; C = 0,028 mol/ L soit 0,0028 mol dans 100 mL.
M(acide ascorbique) =176 g / mol. masse d'acide ascorbique dans le comprimé : 0,0028 x 176 =0,496 g.
On ajoute à cette solution un volume V_b de soude à C_b=0,055 mol / L afin de neutraliser la première acidité.
A l'équivalence V_bC_b = 100 x 0,0028 ; V_b = 5,1 mL.
A l'équivalence on a une solution contenant l'ion AH^-( ampholyte) tel que C = 0,0028 /(0,1051)=0,0266 mol / L.
pH de la solution à l'équivalence ½(pKa1 +pKa2) =(4,17 +11,57) / 2 =7,87.

Forme tamponnée de la vitamine C ; le comprimé de 500 mg contient de l'acide ascorbique et de l'ascorbate de sodium. le pH de la solution obtenue après dissolution de ce comprimé dans 100 mL d'eau est 4,47.
pH = pKa1 + log([AH^-] / [AH₂]) ; log([AH^-] / [AH₂]) = 4,47 -4,17 =0,3 ; [AH^-] / [AH₂]=2.
[AH^-] = 2 [AH₂] ;
[AH^-] = n(ascorbate) / 0,1 = 10 x m(ascorbate) / M(ascorbate de sodium) = 10x m(ascorbate) / 198 =0,05 x m(ascorbate).
m(AH₂ ) = 0,5-m(ascorbate) ; [AH₂] = (0,5-m(ascorbate)) / (0,1 M(AH₂) =(0,5-m(ascorbate)) / 17,6.
0,05 x m(ascorbate) = 2 (0,5-m(ascorbate)) / 17,6.
0,05 x m(ascorbate) +2 / 17,6 m(ascorbate) =1/17,6 ; m(ascorbate) =0,347 g= 347 mg.