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CHIMIE DES SOLUTIONS

41 pages
  • cours - matière : chimie
Lycée technique Mohamed V Centre des classes préparatoires Béni Mellal M.P.S.I COURS DE CHIMIE MPSI CHIMIE DES SOLUTIONS EL FILALI SAID
  • h2po−4
  • hso−4 hso−4 ⇄
  • pk par pk
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  • eaux
  • eau
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Lycée technique Mohamed V
Centre des classes préparatoires M.P.S.I
Béni Mellal
COURS DE CHIMIE
MPSI
CHIMIE DES SOLUTIONS
EL FILALI SAIDTABLE DES MATIÈRES CHIMIE DES SOLUTIONS-M.P.S.I
Table des matières
1 Réactions chimiques 3
1.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 L’avancement de la réaction ξ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Le quotient de la réactionQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4r
1.4 La constante d’équilibreK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5 Critère de l’évolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.6 Quelques propriétés utiles de la constante d’équilibreK . . . . . . . . 5
2 RÉACTIONS ACIDO-BASIQUES 7
2.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Constante d’aciditéK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8A
2.3 Domaine de prédominance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 Aspet quantitatif d’une réaction chimique acide base A/B . . . . . . 12
3 RÉACTIONS DE COMPLEXATION 14
3.1 Couple donneur/Accepteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2 Nomenclature des complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.1 Nom de quelques ligands usuels . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3 Constante de formation-constante de dissociation . . . . . . . . . . . 15
o3.4 Tableau des valeurs des logβ à 25 C . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17i
3.5 Domaine de prédominance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.6 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.6.1 Complexation du cuivre II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.6.2 Dosage compléxométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4 RÉACTIONS DE PRÉCIPITATIONS 21
4.1 Couple Donneur/Accepteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2 L’étude quantitative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2.1 Produit de solubilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2.2 La solubilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2.3 Domaine d’existence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2.4 Application (Voir TD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.3 Facteurs de la solubilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.3.1 Influence de la température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.3.2 Influence de l’ion commun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.3.3 Influence du pH de la solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3.4 Influence de la complexation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3.5 stabilité relative d’un précipité . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
5 Réactions d’oxydo-réduction 32
5.1 Équilibres redox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.1.1 Couples redox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.1.1.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
CPGE/Béni Mellal Page -1- -SAID EL FILALI-TABLE DES MATIÈRES CHIMIE DES SOLUTIONS-M.P.S.I
5.1.1.2 Le nombre d’oxydationn.o . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.1.1.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.1.2 Couples redox de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.2 Piles électrochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.2.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.2.2 Pile Daniell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2.3 Potentiel de l’électrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2.4 Potentiel standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2.5 Électrode de Calomel Saturé(E.C.S)(Hg Cl /Hg) . . . . . . . . . 382 2
5.2.6 Formule de Nerst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.3 Prévision d’une réaction redox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
CPGE/Béni Mellal Page -2- -SAID EL FILALI-CHIMIE DES SOLUTIONS-M.P.S.I
1 Réactions chimiques
1.1 Définitions
Soit un système ,siège d’une réaction chimique dont l’équation chimique est :
(1)
′ ′ ′ ′ν A +ν A +···⇋ν A +ν A +···1 1 2 2 1 1 2 2
(2)
◮ (1) dit sens direct et (2) sens indirect.
′◮ A réactif et A produit .i i
◮ ν cœfficient stœchiométrique.
Remarque : L’équation précédente peut s’écrire sous la forme :
NX
νA = 0i i
i=1
½
ν < 0 pour les réactifsi
avec :
ν > 0 pour les produitsi
1.2 L’avancement de la réaction ξ
Lorsque le système évolue pendant le temps dt , la quantité de matière varie.
prenons l’exemple suivant :
(1)
αA + βB ⇋ γC + δD
(2)
t n (t ) n (t ) n (t ) n (t )o A o B o C o D o
t +dt n (t +dt) n (t +dt) n (t +dt) n (t +dt)o A o B o C o D o
•Sin (t )<n (t +dt)⇐⇒n (t )>n (t +dt) =⇒sensindirectc’estre´actif o re´actif o produit o produit o
à dire sens (2).
• Si n (t ) > n (t +dt)⇐⇒ n (t ) < n (t +dt) =⇒ sens direct c’estre´actif o re´actif o produit o produit o
à dire sens (1).
• On pose : dn(X) = n (t + dt)− n (t ) variation élémentaire de la quantité deX o X o
matière de l’élément X, qui peut être positive ou négative.
•On appelle l’avancement élémentaire dξ de la réaction la quantité
1
dξ = dn(X) (en mol)
ν
avec ν > 0 pour les produits et ν < 0 pour les réactifs.
Donc pour la réaction :
(1)
αA + βB ⇋ γC + δD
(2)
CPGE/Béni Mellal Page -3- -SAID EL FILALI-1.3 Le quotient de la réactionQ CHIMIE DES SOLUTIONS-M.P.S.Ir
on a :
dn(A) dn(B) dn(C) dn(D)
− =− = = =dξ
α β γ δ
∗4(α,β,γ,δ)∈R .+
Cette quantité est indépendante des constituants A ; elle caractérise le déroule-i
ment de la réaction dans le système étudié.
L’avancementd’uneréactionξ estbornéentreξ etξ ;eneffet:supposonsquemin max
1
A est un réactif donc ξ(A) =− (n (t)−n (t = 0)) donc :A A
α
1
◮ ξ = (n (t = 0)−n (t→∞))min A A
α
n (t = 0)A
◮ ξ =max
α
On retient que ξ vérifie :
ξ 6ξ6ξmin max
1.3 Le quotient de la réactionQr
(1)
′ ′ ′ ′Soit la réaction chimique : ν A +ν A +···⇋ν A +ν A +···1 1 2 2 1 1 2 2
(2)
On appelle le quotient de la réaction avec toutes les espèces sont en solution
diluée la grandeur sans dimensionQ définie par :r
³ ´ ′³ ´ ′³ ´ ′ ′′ ′ N νν ν Q [A ] i[A ] 1 [A ] 2 i1 2
···
CC C i=1 oo oQ = =r ³ ´ ³ ´ ³ ´ν ν N1 2 νi[A ] [A ] Q [A ]1 2 i···
C C Co o i=1 o
Avec : C = 1mol/ℓ la concentration standard.o
On tire que le quotient de la réaction est une grandeur sans dimension qui dépend
des concentrations de toutes les espèces en solution ainsi la température.
Remarque :
Pournepasalourdirl’expressionduquotientdelaréaction,onremplacelaconcen-
tration standard par sa valeur sans oublier que le quotient de la réaction est une
grandeur sans dimension.
1.4 La constante d’équilibre K
Lorsquelesystèmeévoluealorslesconcentrationsvarientjusqu’àl’avancement
de la réaction atteint sa valeur limite ξ et les concentrations restent constantes :∞
on dit que le système est dans un état d’équilibre.
CPGE/Béni Mellal Page -4- -SAID EL FILALI-1.5 Critère de l’évolution CHIMIE DES SOLUTIONS-M.P.S.I
On pose :
N ′Q ν′ i[A ]eqi
i=1
Q (t→ +∞) =Q (T) = =K(T)r eq NQ νi[A ]eqi
i=1
C’est la loi d’action de masse dite aussi loi deGuldberg et Waage .
K(T) : est une grandeur sans unité qui ne dépend que de la température , appelée
constante d’équilibre.
On définit lepK par
−pKpK =−logK⇐⇒K = 10
SiK est grand alorspK est petit et vice versa
1.5 Critère de l’évolution
Soitune réactionchimiquedontlequotientdelaréactionestQ etdeconstanter
d’équilibreK :
◮ SiQ =K :le système n’évolue pas ,il est dans son état d’équilibre.r
◮ SiQ >K :le système évolue dans le sens indirect c’est à dire sens (2).r
◮ SiQ <K :le système évolue dans le sens direct c’est à dire sens (1).r
1.6 Quelques propriétés utiles de la constante d’équilibre K
•Soit la réaction chimique :
(1)
αA + βB ⇋ γC + δD
(2)

1
K =direct
Kindirect
p⊲ Si on multiplie cette équation par un réel p alors :K = (K)p
•SoientdeuxréactionschimiquesR etR chacuneestcaractériséeparsaconstante1 2
d’équilibreK etK alors :1 2
K1
⊲ K(R +R ) =K ×K et ⊲ K(R −R ) =1 2 1 2 1 2
K2
•Soit ξ l’avancement d’une réaction chimique :
⊲ Si ξ→ξ alors la réaction est dite totale ou quantitative.max
⊲ Siξ→ξ = 0alorslesystèmen’évoluepas:ilestdansunétatd’équilibre.min
Autrement dit :soit la réaction chimique :
(1)
A + B ⇋ C + D
(2)
n(t = 0) 100 100 0 0
n(t→∞) a a 100−a 100−a
CPGE/Béni Mellal Page -5- -SAID EL FILALI-1.6 Quelques propriétés utiles de la constante d’éCHquilIiMbrIeEKDES SOLUTIONS-M.P.S.I
Critère 100% : Un réaction est quantitative si 100% des réactifs vont réagir (c’est
à dire a =0).
K → +∞100
Critère 99% : Un réaction est quantitative si 99% des réactifs vont réagir (c’est à
dire a =1).
99×99 4K = ≈ 1099
1×1
Critère 90% : Un réaction est quantitative si 90% des réactifs vont réagir (c’est à
dire a =10).
90×90
K = ≈ 10090
10×10
Critère 97% : Un réaction est quantitative si 97% des réactifs vont réagir (c’est à
dire a =3).
97×97
3K = ≈ 1097
3×3
CPGE/Béni Mellal Page -6- -SAID EL FILALI-CHIMIE DES SOLUTIONS-M.P.S.I
2 RÉACTIONS ACIDO-BASIQUES
2.1 Définitions
◮ un acide de Bronsted est une espèce moléculaire ou ionique susceptible de
+donner un proton H ou de provoquer la liberation d’un proton du solvant .
+A ⇄ H + B
acide particulee´change´e base
A et B forment un couple acide base qu’on note A/B
Exemple
+ −HBr ⇄ H + Br
−+HNO ⇄ H + NO3 3
+ +NH ⇄ H + NH34
+ −C H OH ⇄ H + C H O6 5 6 5
−+CO +H O ⇄ H + HCO2 2 3
2+ +Cu +2H O ⇄ 2H + Cu(OH)2 2
Remarque :
−+H PO ⇄ H + H PO3 4 2 4
− + 2−H PO ⇄ H + HPO2 4 4
2− 3−+HPO ⇄ H + PO4 4
⊲ L’acide phosphorique est un triacide (polyacide).
⊲ l’acide sulfurique H SO est diacide.2 4
+ −H SO ⇄ H + HSO2 4 4
− 2−+HSO ⇄ H + SO4 4
◮ une base de Bronsted est une espèce moléculaire ou ionique susceptible de
capter un proton.
Exemple :
+ +NH +H ⇄ NH3 4
2− −+CO +H ⇄ HCO3 3
− +HCO +H ⇄ H CO (H O +CO ),pluieacide2 3 2 23
− 2−•H PO , HPO jouent le rôle d’un acide et d’une base :ampholytes2 4 4
2−•CO est une dibase.3
Conclusion :
Toute réaction chimique acido-basique résulte de l’échange de la parti-
+cule H entre l’acide d’un couple et la base d’un autre couple.
Exemple :
½ ¾
+ −CH COOH ⇆ H +CH COO3 3 + −=⇒CH COOH +NH ⇄NH +CH COO3 3 3+ + 4NH ⇆ NH +H34
CPGE/Béni Mellal Page -7- -SAID EL FILALI-2.2 Constante d’aciditéK CHIMIE DES SOLUTIONS-M.P.S.IA
D’une façon générale l’équation d’une réaction chimique acidobasique s’écrit :
A +B ⇄B +A1 2 1 2
◮ L’eau qui joue le rôle du solvant présente deux couples acide-base :
+ + +⊲ H O /H O : H O ⇋ H +H O3 2 3 2
− + −⊲ H O/OH : H O ⇋ H +OH2 2
On conclut que l’eau est un amphotère (ou ampholyte)
◮ pH d’une solution :
On définit le pH d’un solution dilué par :
+[H O ]3
pH =−log
C0
−1avec C = 1molℓ ; Qu’on peut écrire :0
+pH =−log[H O ] =−logh3
+avec h = [H O ].3
Remarque :
+ −1• [H O ] en moℓ.ℓ .3
+ +•H O représente H solvaté en effet3
+ +H O ⇋ H +H O3 2
o + − −7 −1•Le pH de l’eau pure à 25 C est égal à 7. donc [H O ] = [OH ] = 10 moℓ.ℓ3
+ − −14• Le produit ionique de l’eau K = [H O ][OH ] = 10 ne dépend que de lae 3
température
o −•pK =−logK =pH +pOH(= 14à 25 C) avec pOH =−log[OH ]e e
pH +pOH =pKe
2.2 Constante d’acidité KA
+ −Soit la réaction acide-base :HA+H O ⇋ H O +A2 3
+ −[H O ][A ]3
K[H O] = =K2 A
[HA]
−1les concentrations en moℓ.ℓ et le solvant est l’eau.
K constante d’acidité fonction uniquement de la température.A
On définit lepK d’un couple A/B comme :A
−pKApK =−logK =⇒K = 10A A A
CPGE/Béni Mellal Page -8- -SAID EL FILALI-2.2 Constante d’aciditéK CHIMIE DES SOLUTIONS-M.P.S.IA
Exemple : l’eau est un amphotère
+◮ (H O /H O) :3 2
½ ¾
+ +H O + H O ⇋ H O + H O3 2 3 2
A B ⇋ A B1 2 2 1
+[H O ]3+K (H O /H O) = = 1 =⇒A 3 2 +[H O ]3
+pK (H O /H O) = 0A 3 2
−◮ (H O/OH ) :2
½
+ −H O + H O ⇋ H O + OH2 2 3
A B ⇋ A B1 2 2 1
− + − −14K (H O/OH ) = [H O ][OH ] = 10 =⇒A 2 3
−pK (H O/OH ) = 14A 2
Remarque :
+•Pour les acides plus forts queH ([HA]Ã 0,pK < 0) et les bases plus fortes queA
− −OH ([A ]Ã 0,pK > 14), on ne peut pas déterminer leur pK dans l’eau , on ditA A
qu’ils sont nivelés par l’eau , il faut utiliser un solvant autre que l’eau .
Seules les couples ayant un pK ∈ [0,14] peuvent être étudier dans l’eau .A
CPGE/Béni Mellal Page -9- -SAID EL FILALI-

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