Enoncé - domlecorgne.fr

Download Report

Transcript Enoncé - domlecorgne.fr

 

Détermination de la constante d’acidité Ka de l’acide éthanoïque

     

CORRIGE

 

     

Présentation  

Une  

transformation   chimique

 peut  être  

modélisée

 par  une   réactifs  en  produits.  A  cette  réaction,  est  associée  une  

réaction   chimique constante   d’équilibre

 ( .  Cette   réaction   est   décrite   par   une   équation-­‐bilan,   qui   rend   compte   de   la   transformation   des  

objet  du   chapitre   8   du   cours

).  

Cette   constante   d’équilibre

  est   le   plus   souvent   notée  

.   Elle   dépend  évidemment  de  la  réaction  écrite,  et  de  la  température  T.  Elle  ne  dépend  pas  du   tout  des  concentrations  mises  en  jeu  initialement,  et  c’est  ce  que  nous  nous  proposons   de  montrer  ici,  en  étudiant  la  réaction  de  dissociation  de  l’acide  éthanoïque  dans  l’eau  :   CH 3 COOH (aq)     +    H 2 O (l)       =      CH 3 COO -­‐(aq)     +    H 3 O +(aq)     K°  =  K a   Dans   ce   cas   précis   (action   de   l’eau   sur   un   acide   AH),   la   constante   d’équilibre   K°   est   appelée  

constante  d’acidité

 du  couple  acide/base  et  est  notée  

K a

.   D’après   la   relation   de   Guldberg   et   Waage   (ou   loi   d’action   des   masses),   la   constante   d’acidité  

K a

 a  pour  expression  :   K a =$ a éq CH 3 COO ) (aq) a éq H 3 O + (aq) a éq CH 3 COOH(aq) a éq H 2 O(l) $=$ ⎡⎣ CH 3 COO ) ⎤⎦ éq ⎡⎣ H 3 O + ⎤⎦ éq ⎡⎣ CH 3 COOH ⎤⎦ éq .c°.1

 

Dans  cette  expression  de  K a ,  les  concentrations  sont  exprimées  en  mol.L

-­‐1  

Avant  de  manipuler  

1) Rendez-­‐vous   sur   l’un   de   ces   deux   sites   par   exemple   (il   en   existe   d’autres   équivalents)   afin   de   relever   les   données   utiles   sur   ce   composé  :   pictogrammes,   phrases  de  sécurité  H  et  P.     http://www.sigmaaldrich.com/france.html

  http://www.merckmillipore.com/france/      

   

Travail  à  réaliser  et  compte-­‐rendu  

Vous   déterminez   la   constante   d’acidité   par   conductimétrie.  

Consulter   le   document   «  Conductimétrie  »  et  la  notice  d’utilisation  des  conductimètres  

CDM  210.   ❏   Sur   la   paillasse   centrale,   il   y   a   un   flacon   contenant   de   l’acide   éthanoïque   de   concentration   connue.   Cette   première   solution   contient   l’acide   éthanoïque   à   la   concentration  C 0  mol.L

-­‐1 .  

  Sur  la  paillasse  centrale,  c 0  =  0,10  mol.L

-­‐1

  2) A  vous  de  proposer  un  protocole  pour  préparer  des  solutions  qui  vous  paraissent   appropriées.  

Vous  indiquerez  cela  dans  votre  compte-­‐rendu

.     ❏  Faites  valider  ce  protocole  par  le  professeur.   ❏  Mettez  alors  en  œuvre  votre  protocole.  Noter  la  température  de  vos  solutions.   3) ❏  Réalisez  ensuite  l’exploitation  de  vos  données,  tout  en  rédigeant  votre  compte-­‐ rendu.   ❏  Vous  utiliserez  le  logiciel  

Régressi

 pour  construire  le  tableau  de  valeurs  qui  présente  le   résultat  de  vos  mesures  de  conductivité   σ i  pour  chaque  concentration  C i  préparée.   4) Ensuite,  si  l’on  nomme   Λ °  la  somme  des  conductivités  ioniques  molaires  limites   des  ions  CH 3 COO -­‐  et  H 3 O + ,  soit   Λ ° =   λ ° CH3COO-­‐  + λ ° H3O+  ,  établir  la  relation  suivante  :   σ i =( Λ ° 2 .K

a .c°).( C σ i i ),,-,,( Λ ° .K

a .c°)   5) 6) 7) 8)   Ajouter  alors  une  troisième  colonne  à  votre  tableau  :  elle  contient  Y i  =  C i / σ i .     Placer  alors  les  points  (C i / σ i  ;   σ i )  sur  un  graphe.   Effectuer  une  régression  linéaire  :  donner  la  

pente

 et  l’

ordonnée  à  l’origine

 de   la  droite  de  régression.  Quelles  sont  leurs  unités  ?     Commenter  :   vos   points   sont-­‐ils   bien   alignés   sur   la   droite   de   régression  ?   Conclure  sur  la  validité  de  la  loi  proposée.   9)   Déterminer  la  constante  d’acidité  K a .       10) Vérifier  avec  la  valeur  donnée  dans  la  littérature,  tel  le  

Handbook  of  Chemistry.

    11) Pourquoi  n’utilise-­‐t-­‐on  pas  l’ordonnée  à  l’origine  pour  déterminer  K a  ?  

    σ i =( Λ ° 2 .K

a .c°).( C σ i i ),,-,,( Λ ° .K

a .c°)   Dans  cette  formule,  K a   n’est  pas  dimensionnée  et  K a  =  c α 2 /(1-­‐ α ).c

0   Exprimons  

c,   c°   et   c 0   en   mol.m

-­‐3  

:   ainsi,   par   exemple  :   c 0  =   0,10   x   1000   =   100  

mol.m

-­‐3

  Nous  exprimerons  la  

conductivité  

σ

 en  mS.m

-­‐1

  Nous  exprimerons  

la  conductivité  molaire  limite  

λ

°  en  mS.m

2 .mol

-­‐1

Dans  l’étude  qui  est  la  notre  ici  :     CH 3 COOH (aq)     +    H 2 O (l)       =      CH 3 COO -­‐(aq)     +    H 3 O +(aq)     K°  =  K a   D’après   la   relation   de   Guldberg   et   Waage   (ou   loi   d’action   des   masses),   la   constante   d’acidité  

K a

 a  pour  expression  :   K a =$ a éq CH 3 COO ) (aq) a éq H 3 O + (aq) a éq CH 3 COOH(aq) a éq H 2 O(l) $=$ ⎡⎣ CH 3 COO ) ⎤⎦ éq ⎡⎣ H 3 O + ⎤⎦ éq ⎡⎣ CH 3 COOH ⎤⎦ éq .c°.1

    t Effectuons  un  paramétrage  en  complétant  le  tableau  d’avancement  ci-­‐dessous  :   t  =  0  :     éq  :     CH C C i i   3 COOH (1-­‐ α i )   (aq)     +       H 2 O (l)                = solvant   solvant     CH 3 COO -­‐(aq)     +     0     C i α i   H 0   C i 3 α O i   +(aq)   Exprimons  Ka  :     K a =$ a éq CH 3 COO ) (aq) a éq H 3 O + (aq) a éq CH 3 COOH(aq) a éq H 2 O(l) $=$ ⎡⎣ CH 3 COO ) ⎤⎦ éq ⎡⎣ CH 3 COOH ⎡⎣ H 3 O + ⎤⎦ éq ⎤⎦ éq .c°.1

= ( ) C i (1 − i .

α i 2 α i ).c°.1

                            K a = C i .

α i 2 (1 − α i ).c°.1

  Si  nous  exprimons  C i  en  mol.m

-­‐3 ,  alors  c°  doit  être  exprimée  en  mol.m

-­‐3       Alors  :     ⎡⎣ σ i /mS.m

&1 ⎤⎦ =( Λ ° / mS.m

2 .mol

&1 ) 2 .K

a .(c°/mol.m

&3 ).( C i / mol.m

&3 σ i / mS.m

&1 )44&44( Λ ° .K

a .c°)  

        avec  ces  unités,  la  pente  a  est  égale  à  :     a"="( Λ ° / mS.m

)1 .mol

)1 ) 2 .K

a .(c°/mol.m

)3 )   a"="(34,985+4,09/ mS.m

2 .mol

41 ) 2 .K

a .(1000/mol.m

43 )   avec  

a

   exprimée  correctement  avec  les  unités  choisies  pour   σ i  et  C i     Les  résultats  obtenus  par  différents  groupes  sont  les  suivants  :    

  dilution   1   2,5   4   10   c  

mol.L-­‐1   0,1   0,04   0,025   0,01  

c  

mol.m-­‐ 3   100   40   25   10   pente  

sigma  

mS.cm-­‐1   0,555   0,349   0,265   0,169  

sigma  

mS.m-­‐1     32,278792   Ka  =   pente/((39,075)^2x1000)   2,1E-­‐05   55,5     34,9     26,5     16,9    

pKa   4,7  

  c/sigma  

mol.mS-­‐1.m-­‐ 2   1,801801802   1,146131805   0,943396226   0,591715976  

sigma  

S.m-­‐1   55,5   34,9   26,5   16,9    

  dilution   c  

mol.L-­‐1  

c   sigma  

mol.m-­‐3   mS.cm-­‐1  

pente   34,9   1   4   8   16  

0,1   0,025   0,0125   0,00625   100   25   12,5   6,25     Ka  =   pente/((39,075)^2x1000)   2,3E-­‐05   0,581   0,281   0,198   0,139  

pKa   4,6  

sigma    

mS.m-­‐ 1   58,1     28,1       19,8     13,9    

c/sigma  

mol.mS-­‐1.m-­‐ 2   1,721170396   0,889679715   0,631313131   0,449640288  

sigma  

S.m-­‐1   58,1   28,1   19,8   13,9  

   

  dilution   1   2   4   8   16   c  

mol.L-­‐1   0,1   0,05   0,025   0,0125   0,00625  

c  

mol.m-­‐ 3   100   50   25   12,5   6,25  

sigma  

mS.cm-­‐1   0,506   0,379   0,288   0,261   0,124  

sigma    

mS.m-­‐ 1   50,6       37,9     28,8     26,1     12,4       pente   21,05   Ka  =  pente/((39,075)^2x1000)   1,4E-­‐05  

pKa   4,9  

c/sigma  

mol.mS-­‐1.m-­‐ 2   1,976284585   1,319261214   0,868055556   0,478927203   0,504032258  

sigma  

S.m-­‐1   50,6   37,9   28,8   26,1   12,4   Les  résultats  rassemblés  conduisent  à  :  

                pKa  

4,7   4,6   4,6   4,9   4,7   4,5   4,8    

4,7  

Moyenne   X  

écart-­‐type  

σ

 

0,1  

  Le  traitement  statistique  conduit  à  :  

Lorsque  le  nombre  n  de  mesures  n’est  pas  très  élevé  le  résultat  peut  être  présenté   sous  la  forme  :  

X = x ± t * σ n

  t  étant  le  coefficient  de  Student  à  95%  pour  n  mesures   En  appelant  

Δ

x  l’incertitude  absolue,  alors  :  

Δ

x

=

t

* σ

n

 et  

X

=

x

± Δ

x

 

 

ddl  

1   2   3   4   5   6   7   8  

    Ici,  par  exemple  :  n  =  7  valeurs  expérimentales   t  est  un  coefficient  appelé  coefficient  de  Student  donné  par  des  tables  :  pour  avoir   95  %  de  chances  d’encadrées  la  valeur  vraie  autour  de  la  valeur  moyenne,  avec  7   mesures,  il  faut  prendre  :  t  =  1,895   0,55  

  0,158   0,142   0,137   0,134   0,132   0,131   0,13   0,13  

0,6  

  0,325   0,289   0,277   0,271   0,267   0,265   0,263   0,262  

0,65  

  0,51   0,445   0,424   0,414   0,408   0,404   0,402   0,399  

0,7  

  0,727   0,617   0,584   0,569   0,559   0,553   0,549   0,546  

0,75  

  1   0,816   0,765   0,741   0,727   0,718   0,711   0,706  

0,8  

  1,376   1,061   0,978   0,941   0,92   0,906   0,896   0,889  

0,85  

  1,963   1,386   1,25   1,19   1,156   1,134   1,119   1,108  

0,9  

  3,078   1,886   1,638   1,533   1,476   1,44   1,415   1,397  

0,95  

  6,314   2,92   2,353   2,132   2,015   1,943  

1,895  

1,86  

0,975  

 

0,99  

 

0,995  

 

0,9995  

  12,706   31,821   63,657   636,619   4,303   6,965   9,925   31,598   3,82   2,776   4,541   3,747   5,841   4,604   12,929   8,61   2,571   2,447   2,365   2,306   3,365   3,143   2,998   2,896   4,032   3,707   3,499   3,355   6,869   5,959   5,408   5,041    

n  

1   2   3   4   5   6   7   8   Ainsi  :      

 

Δ

pK

a

 =  1,895  x  0,1/

7    =    0,07   D’où  :     pK

a

 =  4,7  

±

 0,07  

La   température   des   solutions   étant   20°C,   ce   résultat   est   proche   de   celui   du   Handbook   qui  fournit  la  valeur  à  25°C.     Rem  :   nous   n’utilisons   pas   l’ordonnée   à   l’origine   car   ce   serait   une   évaluation   à   partir   d’un  point,  moins  précise.   Cette   valeur   est   bien   indépendante   des   concentrations   initiales   et   à   l’équilibre,   la   constante   a   toujours   la   même   valeur   si   la   température   n’a   pas   varié.   Ce   sont   les   concentrations  qui  sont  telles  que  si  on  exprime  le  quotient  réactionnel  à  l’équilibre,  ce   dernier  prend  toujours  la  même  valeur  :  la  valeur  K°.  

 

Rem : établissement de la relation utilisée

K a = (1 − C i α .

i α i 2 ).c°.1

     et  d’après  le  cours  :   σ

i  =  

Λ

.C  =  

Λ °

.C

i .

α

i

          K a = (1 C − i .( C i σ Λ i ° ) 2 C i σ Λ i ° ).c°.1

          K a = (1 − σ 2 i C i Λ ° 2 C i σ Λ i ° ).c°.1

          K a (1 − C i σ Λ i ° ).c° = σ 2 i C i Λ ° 2       divisons  par  la  conducivité   σ  des  deux  côtés  :     K a ( 1 σ i − C i 1 Λ ° ).c° = σ i C i Λ ° 2             σ i C i Λ ° 2 = K a ( 1 σ i − C i 1 Λ ° ).c°           σ i = K a ( C i Λ σ i ° 2 − C i Λ ° C i Λ ° 2 ).c°   σ i = K a c° Λ ° 2 ( C σ i i ) − (K a Λ ° .c°)   C’est  la  formule  qu’il  fallait  établir.