Transformations chimiques — exercices corrigés

Que mesure l'avancement $x$ d'une réaction chimique ?

À l'état initial d'une transformation, quelle est la valeur de l'avancement $x$ ?

Qu'est-ce que le réactif limitant d'une transformation ?

Au cours d'une transformation, la vitesse volumique de réaction décroît au fil du temps. Cette affirmation est-elle vraie ?

Une réaction $\text{A}\to \text{B}$ part de $n_0(\text{A})=\mathrm{0,5}$ mol. Quel est l'avancement maximal $x_{\max }$, en mol, lorsque tout le réactif A est consommé ?

Le temps de demi-réaction $t_{1\mathrm{/}2}$ est la durée au bout de laquelle l'avancement atteint :

Quand on augmente la température du milieu, la vitesse d'une réaction :

Qu'est-ce qu'un catalyseur ?

Un catalyseur agit en abaissant l'énergie d'activation $E_a$ de la réaction. Cette affirmation est-elle vraie ?

La trempe d'un milieu réactionnel consiste à :

Le pH d'une solution aqueuse est défini par :

Une solution a un pH égal à $2$. Quelle est sa concentration en ions oxonium $[{\text{H}}_3{\text{O}}^{+}]$, en mol/L ?

Dans un couple acide/base $\text{AH}\mathrm{/}{\text{A}}^{-}$, l'acide est l'espèce qui :

Un acide fort réagit totalement avec l'eau : toutes ses molécules cèdent leur proton. Cette affirmation est-elle vraie ?

Le $\text{p}{K}_a$ d'un couple acide/base est relié à sa constante d'acidité $K_a$ par :

Une transformation limitée (non totale) atteint un état d'équilibre où :

Une réaction a pour avancement maximal $x_{\max }=\mathrm{4,0}$ mmol. La courbe $x(t)$ passe par $x=\mathrm{2,0}$ mmol à l'instant $t=30$ s. Quel est le temps de demi-réaction $t_{1\mathrm{/}2}$, en secondes ?

L'électrolyse est une transformation chimique :

Dans un électrolyseur, à l'anode se produit :

Un courant d'intensité $I=\mathrm{2,0}$ A traverse un électrolyseur pendant $t=60$ s. Quelle est la quantité d'électricité $Q$ qui le traverse, en coulombs (C) ?

On fait réagir $n_0({\text{H}}_2)=\mathrm{3,0}$ mol et $n_0({\text{O}}_2)=\mathrm{1,0}$ mol selon $2{\text{H}}_2+{\text{O}}_2\to 2{\text{H}}_2\text{O}$. Quel est l'avancement maximal $x_{\max }$, en mol ?

Pour la réaction ${\text{N}}_2+3{\text{H}}_2\to 2{\text{NH}}_3$, on part de $n_0({\text{N}}_2)=\mathrm{2,0}$ mol et $n_0({\text{H}}_2)=\mathrm{3,0}$ mol. Quel est le réactif limitant ?

Sur une courbe $x(t)$ qui monte puis s'aplatit, comment lit-on graphiquement la vitesse de réaction à un instant donné ?

La décoloration progressive d'une solution de diiode ${\text{I}}_2$ (brun-orangé) est suivie au cours du temps. Quelle méthode de suivi temporel est la plus adaptée ?

Selon la loi de Beer-Lambert $A=\epsilon \times \mathrm{\ell }\times C$, on mesure $\epsilon =200\text{ L}\cdot {\text{mol}}^{-1}\cdot {\text{cm}}^{-1}$, $\mathrm{\ell }=\mathrm{1,0}$ cm et $C=\mathrm{0,02}\text{ mol}\cdot {\text{L}}^{-1}$. Quelle est l'absorbance $A$ (sans unité) ?

Deux réactions A et B ont pour temps de demi-réaction $t_{1\mathrm{/}2}(\text{A})=20$ s et $t_{1\mathrm{/}2}(\text{B})=80$ s. Laquelle est la plus rapide ?

Yasmine conserve ses citrons confits au frais plutôt qu'à température ambiante. Du point de vue cinétique, pourquoi ?

Le platine solide d'un pot catalytique accélère une réaction entre gaz d'échappement. De quel type de catalyse s'agit-il ?

Une solution de pH $=2$ contient combien de fois plus d'ions ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$ qu'une solution de pH $=4$ ?

Une solution d'acide chlorhydrique (acide fort) a un pH égal à $1$. Quelle est sa concentration en ions oxonium $[{\text{H}}_3{\text{O}}^{+}]$, en mol/L ?

Pour le couple $\text{AH}\mathrm{/}{\text{A}}^{-}$, quelle est l'expression correcte de la constante d'acidité $K_a$ ?

L'acide A a $\text{p}{K}_a=\mathrm{3,0}$ et l'acide B a $\text{p}{K}_a=\mathrm{4,8}$. Lequel est le plus fort ?

En préparant le msemen, on verse du vinaigre (${\text{CH}}_3\text{COOH}$) sur du bicarbonate (${\text{HCO}}_3^{-}$) et une effervescence apparaît. Quelle est la nature de cette transformation ?

Pour l'équilibre $\text{A}+\text{B}\rightleftharpoons \text{C}+\text{D}$, quelle est l'expression du quotient de réaction $Q_r$ ?

La constante d'équilibre $K$ d'une réaction ne dépend que de la température, et non des quantités initiales de réactifs. Cette affirmation est-elle vraie ?

À un instant donné, on calcule $Q_{r,i}=\mathrm{0,5}$ alors que la constante d'équilibre vaut $K=5$. Dans quel sens le système évolue-t-il ?

Une transformation limitée a un avancement final $x_{\text{final}}=\mathrm{0,3}$ mol pour un avancement maximal $x_{\max }=\mathrm{0,5}$ mol. Quel est le taux d'avancement final $\tau$ (sans unité) ?

Pour dorer un bracelet, l'artisan le branche en cathode dans un bain d'ions ${\text{Au}}^{3+}$. Quelle demi-équation s'y produit ?

Lors d'une électrolyse, $n(e^{-})=\mathrm{0,1}$ mol d'électrons sont échangés. En prenant $F=96500\text{ C}\cdot {\text{mol}}^{-1}$, quelle quantité d'électricité $Q$ a traversé l'électrolyseur, en coulombs ?

La recharge de la batterie du scooter d'Amine, la production d'aluminium et la dorure d'un bijou sont toutes trois des applications de l'électrolyse. Cette affirmation est-elle vraie ?

Karim affirme : « Puisque la vitesse de réaction diminue au cours du temps, l'avancement $x$ doit lui aussi diminuer. » A-t-il raison ?

Pour la réaction ${\text{N}}_2+3{\text{H}}_2\to 2{\text{NH}}_3$, on part de $n_0({\text{N}}_2)=\mathrm{1,0}$ mol et $n_0({\text{H}}_2)=\mathrm{2,0}$ mol. Salma conclut : « Il y a plus de ${\text{H}}_2$ que de ${\text{N}}_2$, donc ${\text{N}}_2$ est forcément le réactif limitant. » A-t-elle raison ?

Dans un réacteur de volume $V=\mathrm{2,0}$ L, l'avancement passe de $x=0$ mol à $x=\mathrm{0,4}$ mol en $t=100$ s. Quelle est la variation de concentration ${\displaystyle \frac{x}{V}}$ correspondant à cet avancement, en mol/L ?

Karim affirme : « En ajoutant un catalyseur à une transformation limitée, j'augmente son taux d'avancement final $\tau$ et donc son rendement. » A-t-il raison ?

L'eau oxygénée ${\text{H}}_2{\text{O}}_2$ se décompose très lentement. En ajoutant quelques gouttes d'ions ${\text{Fe}}^{3+}$, l'effervescence devient vive, et à la fin on retrouve les ions ${\text{Fe}}^{3+}$ intacts. Quelle affirmation est correcte ?

Amine veut titrer un échantillon prélevé à l'instant $t$ pour mesurer l'avancement « gelé » à cet instant. Pourquoi plonge-t-il le tube dans un bain de glace avant de titrer ?

Salma affirme : « Passer d'un pH de $3$ à un pH de $1$, c'est rendre la solution deux fois plus acide, car le pH a été divisé par trois mais l'écart vaut deux. » A-t-elle raison ?

L'acide éthanoïque ($\text{p}{K}_a\approx \mathrm{4,8}$) du vinaigre, bien qu'acide au goût, donne un pH proche de $3$ et non de $1$. Pourquoi ?

On mélange l'acide ${\text{CH}}_3\text{COOH}$ (couple ${\text{CH}}_3\text{COOH}\mathrm{/}{\text{CH}}_3{\text{COO}}^{-}$) avec la base ${\text{HO}}^{-}$ (couple ${\text{H}}_2\text{O}\mathrm{/}{\text{HO}}^{-}$). Quelle est l'équation correcte de la réaction acide-base ?

Yasmine titre $V_A=10$ mL de vinaigre dilué par de la soude de concentration $C_B=\mathrm{0,1}\text{ mol}\cdot {\text{L}}^{-1}$. L'équivalence est atteinte pour un volume versé $V_E=8$ mL. Quelle est la concentration $C_A$ en acide éthanoïque dans l'échantillon, en mol/L ?

Karim affirme : « Toute transformation chimique est totale : à la fin, le réactif limitant a forcément entièrement disparu. » A-t-il raison ?

Pour une réaction de constante $K=2$, on prépare un mélange tel que $Q_{r,i}=10$. Que va-t-il se passer ?

Pour déposer $n(e^{-})=\mathrm{0,3}$ mol d'électrons lors d'une électrolyse menée à $I=\mathrm{96,5}$ A, combien de temps faut-il maintenir le courant ? On donne $F=96500\text{ C}\cdot {\text{mol}}^{-1}$. Exprime la durée en minutes.

Lors de la dorure d'un bijou, la réduction ${\text{Au}}^{3+}+3e^{-}\to \text{Au}$ met en jeu $n(e^{-})=\mathrm{0,03}$ mol d'électrons. La masse molaire de l'or est $M(\text{Au})=197\text{ g}\cdot {\text{mol}}^{-1}$. Quelle masse d'or se dépose, en grammes ?

Salma affirme : « Dans un électrolyseur, la réduction se produit à l'anode et l'oxydation à la cathode. » A-t-elle raison ?

Quand Amine décharge la batterie de son scooter pour rouler, puis la recharge au garage, quelle affirmation décrit correctement ces deux étapes ?

Un acide faible a une constante d'acidité $K_a=\mathrm{0,001}$. Quel est son $\text{p}{K}_a$ ?

Yasmine veut vérifier l'acidité d'un vinaigre artisanal acheté au souk de Fès. Elle prélève $V_A=10$ mL de vinaigre dilué, y plonge une sonde pH, et verse de la soude (base forte) de concentration $C_B=\mathrm{0,10}\text{ mol}\cdot {\text{L}}^{-1}$. La réaction de titrage est ${\text{CH}}_3\text{COOH}+{\text{HO}}^{-}\to {\text{CH}}_3{\text{COO}}^{-}+{\text{H}}_2\text{O}$. Le pH grimpe brutalement pour un volume versé $V_E=8$ mL.

(a) Quelle est la nature de la réaction de titrage et que représente $V_E$ ? (b) Calcule la quantité de matière d'acide éthanoïque $n({\text{CH}}_3\text{COOH})$ présente dans l'échantillon. (c) En déduis la concentration $C_A$ en acide dans l'échantillon prélevé, en mol/L.

Au laboratoire du lycée, Amine étudie la décomposition de l'eau oxygénée ${\text{H}}_2{\text{O}}_2$, qui libère du dioxygène. Il mesure le volume de gaz dégagé au cours du temps et trace l'avancement $x(t)$. La courbe part de l'origine, monte raide, puis s'aplatit vers une asymptote $x_{\max }=\mathrm{6,0}$ mmol. Elle passe par $x=\mathrm{3,0}$ mmol à $t=40$ s.

(a) Comment évolue la vitesse de réaction au cours du temps, et pourquoi ? (b) Détermine le temps de demi-réaction $t_{1\mathrm{/}2}$. (c) Amine ajoute des ions ${\text{Fe}}^{3+}$ à un second essai identique. Quel sera l'effet sur $t_{1\mathrm{/}2}$ et sur $x_{\max }$ ?

Un artisan du souk dore un bracelet en argent par électrolyse. Il le branche en cathode dans un bain d'ions ${\text{Au}}^{3+}$ et fait passer un courant $I=\mathrm{1,0}$ A pendant $t=300$ s. La demi-équation de dépôt est ${\text{Au}}^{3+}+3e^{-}\to \text{Au}$. On donne $F=96500\text{ C}\cdot {\text{mol}}^{-1}$ et $M(\text{Au})=197\text{ g}\cdot {\text{mol}}^{-1}$.

(a) Pourquoi le bracelet doit-il être branché en cathode, et non en anode ? (b) Calcule la quantité d'électricité $Q$ puis la quantité d'électrons $n(e^{-})$ échangés. (c) En déduis la masse d'or déposée (la valeur sera petite ; donne-la en milligrammes).

Au garage de Casablanca, Amine argente une théière par électrolyse selon la réduction cathodique ${\text{Ag}}^{+}+e^{-}\to \text{Ag}$. Voyant que son cousin Karim, lui, dore un bracelet selon ${\text{Au}}^{3+}+3e^{-}\to \text{Au}$, il affirme : « La relation de Faraday est $Q=It=n(e^{-})\times F$, donc la quantité de matière de métal déposé vaut toujours $n(\text{m}\acute{\text{e}}\text{tal})={\displaystyle \frac{It}{F}}$, peu importe la demi-équation. » A-t-il raison ?

Restitution organisée de connaissances. Au souk de Fès, un artisan dore un bracelet en le branchant en cathode dans un bain contenant des ions or ${\text{Au}}^{3+}$. Un générateur y fait circuler un courant d'intensité constante $I$ pendant une durée $t$. On donne la constante de Faraday $F=96500\text{ C}\cdot {\text{mol}}^{-1}$ et $Q=I\times t=n(e^{-})\times F$.

1. Écris la demi-équation de réduction du cation ${\text{M}}^{z+}$ à la cathode, et exprime la quantité d'électrons échangés $n(e^{-})$ en fonction de la quantité de métal déposé $n(\text{M})$.
2. Établis l'expression de la masse $m$ de métal déposé en fonction de $M$ (masse molaire), $I$, $t$, $z$ et $F$.
3. Application : dorure avec ${\text{Au}}^{3+}$ ($z=3$, $M=197\text{ g}\cdot {\text{mol}}^{-1}$), $I=\mathrm{0,50}\text{ A}$ pendant $t=30\text{ min}$. Calcule $m$.