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L'indispensable en Réactions ioniques en solution aqueuse

De
96 pages

Un mémento clair, complet et pratique pour apprendre, réviser et retrouver tous les résultats fondamentaux. L'essentiel de chaque notion fait l'objet d'une fiche, et un index détaillé permet d'accéder immédiatement à l'information recherchée.

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lntroduction
Fiche 1
6
Définitions
Les principales caractéristiques relatives à la molécule d’eau et à une solution aqueuse sont précisées dans cette fiche.
1. La molécule d’eau La molécule d’eau,H O, a une structure spatiale triangulaire (AX E, sui-2 2 2 vant la théorie VSEPR).
H (+δ)
O (– 2δ)
µ
52,25°
H (+δ)
Les liaisons sont polarisées. L’eau est donc un composé polaire qui possède un moment dipolaire électriqueµpermanent important : 3 µ=1,85 D(=3,3310 Cm). Cette propriété explique la formation de liaisons hydrogène et le pouvoir ioni-sant de l’eau. L’eau présente également une permittivité relative ou constante diélectrique,ε, égale à 80, qui montre son pouvoir dissociant. Il existe des r ions dans l’eau pure ; ils proviennent de la réaction d’autoprolyse de l’eau:+ 2 H O()H O(aq)+OH(aq). 2 3
d’une solution aqueuse2. Formation Une solution aqueuse est un milieu homogène (une seule phase) composé de deux ou de plusieurs constituants. L’un des constituants disperse les autres : on l’appellesolvant,S; il est en plus grande quantité. Le (les) constituant(s) en plus faible quantité est (sont) le (les)soluté(s),s.
2.1. Dissolution La dissolution consiste en la dispersion des molécules de soluté,s(substance dissoute), par le solvant,S(substance dissolvante). Au cours de cette trans-formation, il y a suppression des interactions entre certaines molécules du soluté et aussi certaines molécules du solvant. En revanche, il se crée de nou-velles interactions entre les molécules deset celles deS. La dissolution est un phénomène plus ou moins limité (miscibilité presque totale de NaCl ou du sucre).
I n t r o d u c t i o n
Solvant
Soluté
Il s’établit un équilibre dynamique entre les quantités dissoutes et non dissoutes :
AB(s)AB(aq). On note (aq) pour signifier que le solvant est l’eau.
2.2. Dissociation ionique Le solvant, lorsqu’il est polaire – c’est le cas de l’eau – peut dissocier les molécules dissoutes en ions ou en autres molécules, partiellement ou en tota-lité. De plus, le solvant peut être dissocié, c’est encore le cas de l’eau. Si la dis-sociation crée des ions positifs, appeléscations, et des ions négatifs, appelés anions, la solution devient conductrice de l’électricité. • On appelle : électrolytela substance dissociée en ions ; solution électrolytiquela solution. • On distingue : les électrolytes fortsqui se dissocient complètement ; la solution électro-lytique contient des ions dus à la dissociation du soluté, des ions dus à la dis-sociation partielle du solvant (eau) et les molécules du solvant. les électrolytes faiblesse dissocient partiellement ; la solution élec- qui trolytique contient alors des molécules du soluté et du solvant ainsi que les ions du soluté et du solvant. + Électrolyte fort : AB(aq)æÆA(aq)+B(aq) + Électrolyte faible : AB(aq)A(aq)+B(aq)
• Comme pour toute réaction de dissociation ionique, on définit lecoeffi-cient de dissociationα, appelé aussicoefficient d’ionisationet en cinétique, taux de transformationy: n nombre de moles de AB dissociéesd α==;n=αn. d i nombre de moles de AB initialesn i
1D é fi n i t i o n s
7
1 Fiche
Fiche 1
8
À l’équilibre :
+ + +
+ + +
+ n[AB] [A] [B] d d éq éq a=-=-=-=-. n[AB] [AB] [AB] i i i i
H H O
+ + +
O H H O H H O H H
H H O H H O H H O
H O H H H O H O+O H O H H
O H H O O H H
H H
H H O
O H H O H H
O
HH HH H H O
Cristal ionique Solution aqueuse Dissociation d'un cristal ionique dans l'eau
H H
O
O
H H
H H
H H
O
O
2.3. Solvatation Les ions s’entourent de molécules d’eau et deviennent hydratés. Plus la charge de l’ion est grande, plus le nombre de molécules d’eau fixées est grand. La réaction de dissociation partielle peut alors s’écrire : + AB+(m+n)H O(A ,mH O)+(B ,nH O) 2 2 2
I n t r o d u c t i o n
H
O
O
H
H
H
A
liaisons hydrogène
Géométriedel'ion(A ,mH O) 2
O
H
H
d’une solution aqueuse3. Composition
3.1. Définitions
3.1.1. Définitions qualitatives On distingue : – lessolutions concentrées: la proportion de soluté est grande ; – lessolutions idéales: le soluté et le solvant obéissent à la loi de Raoult ; – lessolutions idéalement diluéesle soluté obéit à la loi d’Henry et le : solvant à la loi de Raoult.
3.1.2. Définitions quantitatives Les propriétés des solutions dépendent de la nature du solvant et du ou des solutés mais aussi des quantités relatives des différents composants, c’est-à-dire de lacompositionde la solution. Cette caractéristique peut s’exprimer de différentes manières. Pour chaque constituant, on définit :
La quantité de matière, grandeur proportionnelle au nombre d’entités élémentaires contenues dans la substance considérée, identifiée par sa formule chimique. Cette quantité est symbolisée parnet s’exprime en moles (mol).
La fraction molaireXd’un constituanti; c’est le rapport : i nombre de moles du constituanti X=. i nombre total de moles
Soitnmoles de A (solvant) etnmoles de B (soluté) ;n=n+n, 1 2 total 1 2 n n 1 2 X=et X=. 1 2 n+n n+n 1 2 1 2
Pour les solutions idéalement diluées :n0; donc : 2 n m/ M 2 2 2 X=1etX==, 1 2 n m/ M 1 1 1 avec :m, la masse de A ;m, la masse de B ;M, la masse molaire de A ; 1 2 1 M, la masse molaire de B. 2
Le pourcentage d’un constituant, appelé aussicomposition centésimale. – % en masse : masse de soluté ou de solvant pour 100 g de solution ; – % en volume : volume de soluté ou de solvant pour 100 mL de solution ; – % en mole : nombre de moles de soluté ou de solvant pour 100 moles.
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1 Fiche
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0
La concentrationLa concentration est une grandeur qui évalue la quantité d’un soluté A, par rapport à une quantité de solution ou de solvant. On distingue : 1 La molaritéouconcentration molaireC(molL), nombre de moles nde soluté par rapport à un volume de solution exprimé en litres (L) :
n C=; V
3 n=C×V(L)=C¥V(mL)¥10.
1 concentration massique ou titre pondéral La t(gL), masse de soluté (g) dans un volumeV(L)de solution :
m(g) t=. V(L)
La normaliténombre d’équivalents par litre de solution ; elle N, s’exprime suivant la réaction étudiée.
1 La molalitéb(molkg), nombre de moles de soluté dans 1 kg de sol-vant ; elle est peu différente de la molarité pour les solutions diluées aqueuses.
L’activitéad’un constituant, grandeur sans dimension ; elle est liée à toute variable d’état Y caractérisant la composition du système par l’expression :
Y a=gY réf
γest le coefficient d’activité dû aux interactions entre les molécules ; dans le cas de solutions diluées :γ=1. – Y peut être la concentration C, le titre molairetou la molalitébdu soluté. C 1 Pour le soluté :a=; donc avecC=1 molL, on a :a=C. sréfs C réf Pour le solvant (l’eau pure) :a=a=1. SH O 2
3.2. Variations de la composition On peut modifier la composition d’une solution par :
Dilution: l’addition d’un volume de solvant ou de réactif est une dilution. Soit une solution de volume initialVet de concentration initialeC; si on i i noteV, le volume final etC, la concentration finale après dilution, alors : f f n=C×V=C×V i i i f f
I n t r o d u c t i o n
d’où :
C V i f ==f C V f i
fest appelé lefacteur de dilution.
.
Élimination du solvant: lors de l’évaporation du solvant, le volume de la solution diminue mais le nombre de moles de soluté ne varie pas.
4. Propriété électrique Au cours des réactions ioniques en solution aqueuse, laconductivitéélec-trique est la manifestation de l’ionisation de la solution. Elle quantifie la capacité d’une substance à conduire le courant électrique qui la traverse. 1 Elle s’exprime en siemens par mètre(Sm)ou, puisque c’est l’inverse de 11 la résistivité, enΩ ⋅m. 51 • La conductivité de l’eau est très faible(10 Sm). La cellule de mesure est analogue à un ohmètre. • La conductivité d’une solution ionique est égale à la somme des conducti-vités des différents ions la constituant. Cette propriété est utilisée dans une technique de dosage. Elle intervient aussi dans le fonctionnement des cellules électrochimiques.
1D é fi n i t i o n s
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1 Fiche
Fiche 2
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2
1.
Caractéristiques des réactions ioniques
Les principales réactions ioniques
Les réactions ioniques en solution aqueuse se déroulent à la pression atmos-phérique (1 bar), le plus souvent à la température ambiante (25° C). Il se produit des interactions entre ions ou molécules mettant en jeu des transferts de protons, d’électrons et même d’ions. Ces transformations atteignent plus ou moins rapidement l’état d’équilibre. Toute réaction ionique entre les espèces A, B, L et M en solution aqueuse est représentée par l’équation-bilan :
aA(aq)+bB(aq)
lL(aq)+mM(aq)
.
a,b,l,msont les coefficients stœchiométriques. À différents instantst, on a : – les nombres de moles (mol) :n(t),n(t),n(t)etn(t); A B L M 1 – les concentrations molaires(molL):C(t),C(t),C(t)etC(t). A B L M Les principales réactions ioniques sont : + – lesréactions acido-basiques: la particule échangée est le proton,H, selon la théorie de Brønsted. Une des applications importantes est la solution tampon. – lesréactions d’oxydoréduction: la particule échangée est l’électron, e.
Ce transfert électronique est à l’origine des cellules électrochimiques (piles, accumulateurs et cellules électrolytiques). Ces réactions peuvent être associées à : – desréactions de précipitation: un seul réactif crée des espèces chargées ; – desréactions de complexation, qui ne sont pas développées ici, bien qu’elles présentent des analogies avec les autres. Toutes ces réactions peuvent entrer en compétition. Les molécules d’eau agissent en tant que solvant ; elles ont un rôle dissociant et solvatant. De plus, elles réagissent en tant qu’espèce chimique. – Les réactions acido-basiquesse produisent attei-spontanément et gnent quasi instantanément l’état d’équilibre .
– Lesréactions d’oxydoréductionpeuvent êtrespontanées ou provo-quées, et évoluentplus ou moins rapidement vers l’état d’équilibre.
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temporelle de la composition du système2. Évolution La variation de la composition du système chimique est caractérisée, à diffé-rents instantst, par les deux grandeurs définies ci-après. On considère la réaction : aA(aq)+bB(aq)lL(aq)+mM(aq).
2.1. Avancementξ(t)de la réaction On appelleavancement de la réactionà l’instanttla grandeur, notéeξ, définie par : nn nn nn nn A , i A ,tB ,B , i tL ,tL , i M ,tM , i x(t)====a b l m où, pour une espèce X,ndésigne le nombre de moles à l’instant initial et X,i nle nombrede moles à l’instantt. X,t ξune grandeur indépendante du réactif ou du produit considéré et est s’exprime en moles. On noteξl’avancement de la réaction lorsque tout le réactif limitant est max consommé etξl’avancement de la réaction lorsqu’on a atteint l’équilibre. éq • Au point de vue pratique, on peut introduire, pour chaque réactif, letaux de conversion: nn A , i A ,tax(t) t==. A n n A , i A , i τest une grandeursans dimension. A Dans le cas où il y a un seul réactif,τest le coefficient de dissociationα. A
2.2. Quotient de réaction Q r On appellequotient de réactionassocié à la réaction ci-dessus, la gran-deur, notéeQ, définie par : r l m [L]¥[M] t t Q(t)=; r a b [A]¥[B] t t à l’instant initial : l m [L]¥[M] i i Q=. r,i a b [A]¥[B] i i Le quotient de réaction dépend de l’écriture de l’équation-bilan ; il augmente au cours de la transformation chimique. Lorsque le système atteint l’équilibre : Q=K(constante de l’équilibre). r,éq Remarque :Pour ces relations, nous ne considérons que les solutions diluées, pour lesquelles activité et concentration molaire sont confondues.
2i o n i q u e sC a r a c t é r i s t i q u e s r é a c t i o n s d e s
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2 Fiche