Chimie HEI3 TC
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Transcript Chimie HEI3 TC
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La Chimie Générale en Tronc Commun HEI 3
H31 : Patrick LEGHIÉ (A101b), H32 : David MARSEAULT (F013)
But : vérifier et consolider les bases de la chimie.
Etude d'une solution aqueuse : bilan des espèces et des réactions.
Parmi les réactions possibles, choix des plus plausibles.
Calcul des concentrations des espèces en solution.
Bases fondamentales des techniques de chimie analytique.
Applications (en HEI4) :
Etude des générateurs électrochimiques.
Etude de la corrosion.
Groupe commun avec la Science des Matériaux (301).
Volume horaire : 34 h
Cours (8 h) : bases théoriques + exercices simples.
TD (6 h): exercices plus compliqués. A préparer pour s'entraîner.
TP (20 h) : mise en pratique.
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Plan du cours (p 1)
Introduction: intervenants, plan du cours, méthode de travail…
Traitement des résultats et calculs d’incertitude (Ch 1)
Cours 1
Solutions aqueuses : termes de composition, unités… (Ch 2)
Equation chimique : équilibrage, bilan matière, électroneutralité (Ch 2)
Réactions chimiques en solution aqueuse : généralités
Cours 2
équivalence, équilibre chimique, constante d’équilibre (Ch 2)
Réactions d’oxydoréduction (Ch 3)
TD 1
Cours 3
TD 2
Cours 4
TD 3
Exercices sur les solutions et réactions d’oxydoréduction + QCM
Equilibres acide/base (Ch 4)
Exercices sur les équilibres acide/base
Exercices sur les équilibres acides/base + QCM
Equilibres de complexation et de précipitation. Problèmes de solubilité (Ch 5)
Potentiométrie (Ch 6)
Exercices sur précipitation/solubilisation, complexation, potentiométrie + QCM
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Déroulement de l’enseignement (p 2)
Avant chaque cours : lire la partie correspondante du polycopié.
Refaire les exercices d’application.
Certaines erreurs sont corrigées dans l’erratum (Intranet).
Après chaque cours : faire les exercices à préparer pour le TD.
Emploi du temps : 1 semaine entre le dernier cours et le TD.
En cas de difficultés, contacter les enseignants (coordonnées page 2).
Pendant les TD : « décodage » des énoncés et résolution.
Travaux Dirigés : les étudiants travaillent, l’enseignant dirige.
Après chaque TD : revoir les exercices.
Rythme de cours soutenu.
Ne pas laisser les lacunes s’accumuler.
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Evaluation
QCA : 15 minutes en fin de TD (3 épreuves).
20 affirmations précises (chaque mot compte) : noircir une case V ou F.
Réponse : Bonne = + 1 pt ; Mauvaise = – 0,5 pt ; 0 ou 2 cases noircies = 0 pt
Aucun document autorisé.
Utiliser la feuille d’énoncé comme brouillon.
Seules les cases seront lues.
Aucune calculatrice autorisée.
Calculs éventuels simples ou approximatifs (ordre de grandeur).
Feuille corrigée rendue lors du cours suivant.
TP : 5 séances de 4 heures sur 6 postes.
Rapport à rendre en fin de séance Préparation sérieuse nécessaire.
Pas de présentation en amphi. Détails (rotation, conseils…) sur Intranet.
Epreuve de synthèse : 3 h, inspirée d'un sujet appliqué.
Seul document autorisé : 1 feuille A4 recto-verso.
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Chapitre 1
Présentation et traitement des résultats
Objectifs
Savoir écrire et calculer une grandeur numérique en utilisant
correctement les chiffres significatifs.
Savoir déterminer le nombre de mesures nécessaires pour obtenir une
valeur, ainsi que l’incertitude correspondant au résultat.
Savoir calculer une régression linéaire et comprendre les différents
paramètres.
Savoir utiliser Excel pour créer un tableau de données, un graphique,
et calculer une régression linéaire (cf. TP).
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1.1. Chiffres significatifs
Respecter le nombre de chiffres significatifs (NCS).
Importance des zéros.
Incertitude de 1 unité sur le dernier chiffre donné.
1,5000
Valeur exacte comprise entre 1,4999 et 1,5001.
NCS = 5
Utiliser la notation scientifique pour éviter toute ambiguïté.
0,01234
Valeur exacte comprise entre 0,01233 et 0,01235.
NCS = 4 on écrira plutôt 1,234.10–2
Calcul : NCS du résultat = NCS de la valeur la moins précise du calcul.
Attention aux erreurs d'arrondi.
Utiliser les mémoires de la calculatrice.
Ne faire l'arrondi qu'en fin de calcul.
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Présentation des résultats et réalisation des mesures
Toute valeur expérimentale (TP : sauf étalonnage) est à présenter sous
la forme : Valeur réelle = Valeur moyenne Incertitude
x x x
Répétabilité (r) : différence maximale admissible entre 2 résultats.
détermination par calcul de l’écart-type σ sur un grand nombre de mesures.
r ≈ 2,77.σ
Etendue : différence entre les valeurs extrêmes d’une série.
Comment obtenir la valeur moyenne ?
si r est connue (Documentation, Annexe IV) ou évaluée (TP « COV »).
x médiane( x1 , x2 , x3 )
2 essais
x1 et x2
étendue
|x1–x2| ≤ r
3ème essai
x3
étendue
x1, x2, x3 ≤ 1,2.r
x moyenne( x1 , x2 )
x moyenne( x1 , x2 , x3 )
si r inconnue, on réalise 3 essais et on conserve la médiane.
remarque : en TP, on sait si r est connue avant la séance méthode connue.
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Obtention de l’incertitude
r connue Théorie p I-11, équation (2)
s = écart-type = r/2,77 (Théorie p I-12)
n = nombre d'essais (2 ou 3).
1,96.s
1,96.r
X X
X
n
2, 77. n
r inconnue : méthode de propagation d'erreurs.
1er cycle : différentielle logarithmique, correct, mais majore les
incertitudes.
Cycle ingénieur : méthode quadratique (statistique), plus réaliste.
dépend de l'opération car on travaille avec les variances σ2 (cours statistiques).
X = A + B 2X 2A 2B
X = A B X A B
X A B
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Incertitude sur le dernier CS pour les valeurs données, 0 sur les constantes.
Utilisation du matériel : écart-type lié à l'utilisation << tolérance.
On remplace les par des (Table 12).
Remarque : en TP, le protocole donne le matériel utilisé prérédaction.
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Régression linéaire (1/2)
Etalonnage = recherche de la réponse d'un appareil à partir de solutions
de concentrations connues (potentio, Absorption atomique, Spectro
UV-Visible).
Tracer la courbe : Réponse de l’appareil = f(Concentration étalon).
Faire une régression linéaire (calculatrice, Excel, Mathematica…) et
vérifier que le coefficient de corrélation est 0,999.
Penser à apporter le mode d’emploi de la calculatrice le cas échéant.
Dans le cas contraire, éliminer jusqu'à 2 points (sur 5) et refaire le calcul.
Si le résultat n'est pas meilleur, ne pas hésiter à refaire les solutions plutôt
qu' « ajuster » les résultats.
La valeur de la concentration inconnue devra être déduite de l'équation de
la droite de régression.
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Régression linéaire (2/2)
On dose du calcium par absorption atomique.
Théorie : Abs = k. [Ca2+]
[Ca2+] Absorbance
(ppm)
(u.a.)
1
( 0,150)
Absorbance (u.a.)
0,5
y = 0,0871 x + 0,0421
corr = 0,9929
0,4
Point éliminé
0,3
point
éliminé
0,2
y = 0,0975 x + 0,0005
corr = 0,99989
0,1
0
0
1
2
3
[Ca2+] (ppm)
4
5
2
0,196
3
0,291
4
0,393
5
0,487
X
0,203
0, 203 0, 0005
[Ca ]X
2, 08 ppm
0, 0975
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Chapitre 2
Réactions chimiques en solution aqueuse.
Généralités
Objectifs
Savoir utiliser la loi des gaz parfaits.
Savoir que % se rapporte toujours à la masse, sauf indication
supplémentaire.
Trouver une densité à partir d'un % et réciproquement.
Savoir calculer la concentration d'une solution à partir de d, %, M.
Savoir préparer une solution de concentration connue.
Savoir équilibrer une équation chimique.
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2.1. Les Solutions / 2.1.1.1. Solutions gazeuses
Solution = mélange homogène d'au moins deux constituants.
Solvant : constituant majoritaire.
Soluté(s) : constituant(s) minoritaire(s).
Pression Nb moles
(mol)
Miscibles en toutes proportions. (Pascals)
Types de solutions : Gaz
Loi de Dalton : Ptotale = Si pi
Approximation des gaz parfaits :
Seulement pour des gaz
Interactions entre molécules
négligeables
Température
(Kelvin)
P.V = n.R.T
Volume
(m3)
Constante
8,314 J.K–1.mol–1
Conditions normales de température et de pression :
P = 1 atm = 760 Torr = 101325 Pa = 1,013 bar
T = 273,15 K (= 0 °C)
} n = 1 V = 22,414 L
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2.1.1 Solutions / 2.1.2. Solubilité
Liquides : solvants en général (solutés = gaz, liquides, solides).
Souvent solubilité partielle (g mousse, l émulsion, s suspension).
Solides : Solutés en général, rarement solvant (alliages).
Quantité maximale de soluté que l'on peut dissoudre dans le solvant.
Nature du solvant et du soluté.
Solvant polaire : dissout les molécules polaires, ioniques et ionisables.
Solvant apolaire : dissout les molécules apolaires.
Effet de la température :
Gaz : Quand T , Solubilité .
Liquides, solides :
dissolutionH > 0 Quand T , solubilité .
dissolutionH < 0 Quand T , solubilité .
Pression : Gaz : Solubilité quand P .
Pas d'effet sur les liquides et solides.
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2.1.3. Termes quantitatifs de composition
2.1.3.1. Proportions (nombre adimensionnel) :
% : 1/102 = Masse (g) de soluté pour 100 g de solution.
%vol : volume (mL) de soluté pour 100 mL de solution (Ethanol, carburants).
ppm (US : part per million) : 1/106 mg.kg–1.
ppb (US : part per billion) : 1/109 µg.kg–1.
1 g/cm3 à 4°C
ni
Fraction molaire (%mol) : xi
ni
Densité = masse volumique de la solution/masse volumique de l'eau ( d 240)
2.1.3.2. Concentrations (titre) :
Massique (kg.m–3, g.L–1) : masse de soluté par litre de solution.
Solutions aqueuses : 1 ppm 1 mg.L–1 ; 1 ppb 1 µg.L–1
Molarité (mol.L–1 M) : nombre de moles de soluté par litre de solution.
Normalité (N) : nombre "d'équivalents" par litre de solution. N = n.C
Molaire massique (mol.kg–1) : nb de moles par kilogramme de solution.
Température
Numériquement égal à la masse volumique de la solution, en g/cm3.
Parfois exprimé en degrés Baumé : d = 145 / (145 – °Bé)
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Calcul de concentrations
2.1.3.5. Mélange de deux concentrations.
Seule la masse totale du système est conservée (Loi de Lavoisier).
La masse ne varie que par dégagement gazeux.
Les volumes ne sont pas additifs.
Dépend de l'agencement des molécules entre elles (fonction des interactions).
Sauf pour les solutions diluées (en 1ère approximation).
2.1.4. Préparation d’une solution de concentration connue.
Attention au réactif initial.
pureté, solvant de cristallisation, contre-ion.
Pour préparer une solution diluée, préparer d'abord une solution
concentrée ("solution-mère"), puis la diluer pour obtenir la solution finale.
Connaissant les tolérances de fabrication sur la verrerie, on peut déterminer
les opérations à effectuer pour obtenir une dilution optimale selon les
quantités à préparer et les concentrations*.
* Lam R.B., Isenhour T.L., Anal. Chem., 52(7):1158-1161 (1980)
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Exercices
1. On dissout 150,0 litres d’ammoniac (mesurés à 30 °C, sous 820 mm
Hg) dans 1,00 litre d’eau. Quelle est la molarité de la solution en
supposant qu’il n’y a pas d’augmentation de volume ?
2. On dissout 10,0 g de soude dans 100,0 g d’eau. Quel est le pourcentage
de soude dans cette solution ? Quel volume obtient-on ? Quelle est la
concentration molaire ?