Aurélie 02/06

 

Carbonate de calcium ; dioxyde de carbone

acide base ; précipitation

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couple acide / base : CO2, H2O/HCO3- pKa1 = 6,4 ;HCO3- /CO32- pKa2 = 10,3 ; pKe = 14.

Le pH d'une solution saturée de carbonate de calcium CaCO3 dans l’eau pure vaut 10.

  1. Que signifie " solution saturée ".
  2. Quelles sont les formes prédominantes de l'élément carbone à pH = 10 ?
  3. Quelle est la solubilité s du carbonate de calcium. Calculer la constante Ks du carbonate de calcium.
  4. Comment évolue une solution saturée de carbonate de calcium laissée à l'air libre ?
  5. Un précipité de carbonate de calcium apparaît en chauffant la solution saturée correspondante ; comment évolue Ks avec la température ?
  6. Comment mettre en évidence le dioxyde de carbone ?
  7. Expliquer le fonctionnement des sources pétrifiantes.

corrigé
Une " solution saturée " présente deux phases : le liquide et soit une phase solide ou gazeuse., en équilibre avec la solution.

Dans ce type de solution , on ne peut pas dissoudre davantage de soluté.

Les formes prédominantes de l'élément carbone à pH = 10 sont : HCO3- et CO32- .

solubilité s du carbonate de calcium :

s = [HCO3- ]+[CO32- ] = [Ca2+] (1)

HCO3- + H2O = CO32- + H3O+ ; Ka2 = [H3O+][CO32-] /[HCO3-]

[CO32-] /[HCO3-] = Ka2 /[H3O+] =10-10,3 / 10-10 = 10-0,3 = 0,5 ; [CO32-] = ½[HCO3-]

(1) s'écrit : s = 1,5 [HCO3-] = [Ca2+] soit [HCO3-] = s/1,5; [CO32-] =s/3 ;

La solution reste électriquement neutre : [H3O+] + 2[Ca2+]= [HO-]+ [HCO3-] + 2[CO32-]

[H3O+] négligeable à pH =10 et [HO-] = 10-14+pH = 10-4 mol/L : 2s = 10-4 + [HCO3-] + [HCO3-] = 10-4 +2s/1,5

2s-2s/1,5 = 10-4 ; s = 1,5 10-4 mol/L.

constante Ks :

CaCO3 (s) = Ca2+ + CO32- ; Ks = [Ca2+][CO32-] = s * s/3 = s²/3 = (1,5 10-4)2/3 = 7,5 10-9.

évolution d'une solution saturée de carbonate de calcium à l'air libre :

le dioxyde de carbone de l'atmosphère se dissout dans la solution.

CO2 (aq ) + CO32- + H2O =2 HCO3-

Cette dissolution entraîne le déplacement de l'équilibre vers la droite ( consommation de CO2 et CO32-).

Or Ks = [Ca2+][CO32-] est constant à température constante, donc [Ca2+] augmente.

Si la solution est saturée en présence du solide, le carbonate de calcium va se dissoudre.

Un précipité de carbonate de calcium apparaît en chauffant la solution saturée correspondante : la solubilité s diminue .

Ks =s²/3 diminue donc quand la température augmente : la dissolution du carbonate de calcium est endothermique.

Comment mettre en évidence le dioxyde de carbone : faire barboter le gaz dans de l'eau de chaux Ca(OH)2 saturée.

CO2 + Ca2+ + 2HO- = CaCO3 (s) + H2O

en présence de CO2, un trouble apparaît : formation de CaCO3 (s)

les sources pétrifiantes :

Les eaux souterraines sont sous pression et contiennent une quantité de dioxyde de carbone supérieure à celle de l'atmosphère.

A la sortie de la source, la pression diminue et une partie du dioxyde de carbone dissout se dégage.

CO2 (aq ) + CO32- + H2O =2 HCO3-

L'équilibre précédent est en conséquence déplacé vers la gauche et [CO32-] augmente

Or Ks = [Ca2+][CO32-] est constant à température constante, donc [Ca2+] diminue. (formation de CaCO3 (s))

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