Correction des exercices sur les solutions électrolytiques

Chapitre 4 de chimie : Les solutions colorées





Correction de l'exercice : Sirop de menthe

1) D'après le graphique de gauche, le colorant E102 possède un maximum
d'absorbance pour une longueur d'onde comprise entre 400 nm et 450 nm :
ce sont des radiations bleues qui sont absorbées. Les radiations vertes
et rouges sont donc transmises par une solution avec du colorant E102.
L'addition de ces 2 lumières colorées correspond à de la lumière jaune :
le colorant sera donc vu jaune en solution (pour la fin du raisonnement,
on peut aussi dire que, d'après le cercle chromatique, la couleur
complémentaire du bleu est le jaune, donc le colorant sera vu jaune).
D'après le graphique de droite, le colorant E131 possède un maximum
d'absorbance pour une longueur d'onde proche de 640 nm : ce sont des
radiations rouges qui sont absorbées. Les radiations bleues et vertes
sont donc transmises par une solution avec du colorant E131. L'addition
de ces 2 lumières colorées correspond à de la lumière cyan : le colorant
sera donc vu cyan en solution (idem).
2) La solution n°5 possède une concentration massique valant Cm(5) = 20,0
mg/L alors que pour la solution « mère », on a : Cm0 = 0,100 g/L. Le
facteur de dilution vaut donc :
Cm0/Cm(5) = 0,100/20,0×10-3 = 5,00. La solution n°5 est donc 5,00 fois
moins concentrée que la solution « mère » et le volume à prélever est
donc 5,00 fois plus petit : V0 = 25/5,00 = 5,0 mL.
3) Le 1er tableau correspond au colorant E102 (jaune), car l'absorbance a
été mesurée pour une valeur proche de la longueur d'onde associée au
maximum d'absorbance (d'absorption) du colorant E102 (450 nm) et
l'absorbance pour l'autre colorant est alors nulle pour cette longueur
d'onde.
Le 2ème tableau correspond au colorant E131 (bleu), pour les mêmes
raisons avec la valeur de longueur d'onde 630 nm.
4) On a :
[pic]
5) a) On obtient deux droites passant par l'origine. Il y a donc
proportionnalité entre l'absorbance et la concentration massique pour les
2 colorants. On peut donc écrire :
A(E102) = k450nm×Cm(E102) et A(E131) = k630nm×Cm(E131) ou les « k » sont
des coefficients de proportionnalité.
b) Dans la loi de Beer-Lambert, la proportionnalité concerne l'absorbance
et la concentration molaire de l'espèce chimique colorée : A(E102) =
K450nm×[E102] et A(E131) = K630nm×[E131]. Comme, Cm(E102) = m(E102)/V =
(n(E102)×M(E102))/V = M(E102)×[E102], on a :
A(E102) = k450nm× M(E102)×[E102] avec k450nm× M(E102) = coefficient de
proportionnalité (c'est une constante).
On peut faire le même raisonnement avec l'autre colorant.
6) On utilise pour les mesures d'absorbance des deux colorants, des valeurs
de longueur d'onde (450 nm et 630 nm) correspondant à un maximum
d'absorbance (ou en étant proche) et l'autre colorant a une absorbance
nulle à cette valeur de longueur d'onde. On n'a pas besoin de considérer
l'absorbance des 2 colorants à une même longueur d'onde.
7) Voir cours.
8) Sur le graphique, on obtient une concentration massique d'environ 12,4
mg/L pour le colorant E102 et d'environ 6,5 mg/L pour le colorant E131.
En tenant compte de la dilution par 10, on obtient des concentrations
respectives 10 fois plus importantes dans le sirop de menthe, soient :
124 mg/L et 65 mg/L (le graphique n'est pas de bonne qualité...).


Chapitre 5 : Solutions ioniques et moléculaires


Correction de l'exercice n°1 : Solution de phosphate de sodium

1) Voir cours.
2) La formule du phosphate de sodium est Na3PO4(s), car elle doit tenir
compte de l'électroneutralité des cristaux ioniques (solides) : la charge
électrique de 3 ions sodium Na+ compense la charge d'1 ion phosphate PO43-
.
3) On a : m = n ( M(Na3PO4(s)) = 25(10-3 ( (3 ( 23,0 + 31,0 + 4 ( 16,0) =
4,1 g
La masse m de phosphate de sodium est donc de 4,1 g.
4) On pèse dans une coupelle 4,1 g de phosphate de sodium à l'aide d'une
balance préalablement tarée. On remplit à moitié ou au tiers une fiole
jaugée de 100 mL avec de l'eau distillée et on y introduit la masse
pesée. On agite la fiole afin de dissoudre les cristaux. Après
dissolution, on complète avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge.
On homogénéise finalement la solution en agitant.
5) a) La formule de l'eau est donnée ci-après. Un atome d'oxygène est plus
électronégatif qu'un atome d'hydrogène (il attire plus les électrons à
lui). Les liaisons O-H sont donc polarisées avec des charges électriques
partielles ?+ et ?-. Le barycentre des charges positives se trouve entre
les 2 atomes d'hydrogène alors que le barycentre des charges négatives se
situe sur l'atome d'oxygène. Ils ne sont pas confondus et la molécule
d'eau est bien polaire (dipôle électrique).




b) Les ions positifs du solide vont être attirés par le pôle négatif des
molécules d'eau et les ions négatifs vont être attirés par les pôles
positifs (des molécules d'eau). Ces interactions électriques attractives
vont dissocier le solide ionique lors de l'agitation. Les molécules d'eau
vont alors entourer complètement les ions Na+ et PO43- pour former des
ions hydratés (aqueux) : le solide ionique sera alors complètement
dissous lorsqu'ils seront dispersés dans la solution.
6) L'équation-bilan de la dissolution du phosphate de sodium dans l'eau
est :
Na3PO4(s) ( 3 Na+(aq) + PO43-(aq)
7) La concentration massique en phosphate de sodium apporté vaut :

|Cm = |m |= |4,1 |= 41 |
| | | | |g.L-1 |
| |V | |0,100| |


La concentration molaire en phosphate de sodium apporté vaut :

|C =|n |= |25(10-3|= 2,5(10-1 |
| | | | |mol.L-1 |
| |V | |0,100 | |


8) Dans la solution ionique, il y a des ions sodium Na+(aq) et des ions
phosphates PO43-(aq). Donc, on a d'après les coefficients apparaissant au
niveau de l'équation-bilan de la dissolution :
[Na+(aq)] = 3 ( C = 7,5(10-1 mol.L-1
[PO43-(aq)] = 1 × C = 2,5(10-1 mol.L-1

Correction de l'exercice n°2 : Solubilité d'espèces chimiques

1) a) On peut faire un produit en croix :
1 L d'eau > 69 g d'éther diéthylique
30×10-3 L d'eau > masse maximale ?


Cette masse maximale vaut donc : 30×10-3 × 69 = 2,1 g
b) On a :

|?éther |méther |donc : Véther |méther |
|diéthylique = |diéthylique |diéthylique = |diéthylique |
| |Véther | |?éther |
| |diéthylique | |diéthylique |






Or, on a aussi :

|déther |?éther |
|diéthylique = |diéthylique|
| |?eau |




Donc,
|Véther |méther |= |2,1 |= 3,0×10-3 L = 3,0|
|diéthylique = |diéthylique | | |mL |
| |?eau × déther | |1000×0,7| |
| |diéthylique | |1 | |




c) On voit 2 phases, car le volume d'éther diéthylique versé est
supérieur à 3,0 mL (volume pouvant se dissoudre dans l'eau). Le mélange
est donc hétérogène.

2) L'éthanol de formule CH3-CH2-OH peut être représentée ainsi :
Les liaisons C-O et O-H sont polarisées en raison des différences
d'électronégativité entre les atomes. Des charges électriques partielles
?+ (atomes H* et C*) et ?- (atome O) apparaissent. Comme la géométrie
autour de l'atome d'oxygène est coudée, le barycentre des charges
négatives(O) n'est pas confondu avec le barycentre des charges positives
(situé entre C* et H*). L'éthanol est donc une molécule polaire.
Or, l'eau est aussi une molécule polaire, donc la solubilité de l'éthanol
dans l'eau est très grande.

3) a) L'octane n'est pas une molécule polaire, car elle est composée
uniquement d'atomes de carbone et d'hydrogène.
b) La cohésion de l'octane est expliquée par les forces de Van der Waals
(l'octane constitue un dipôle électrique instantanée).
4) a) L'éthanol est très soluble dans l'eau et dans l'éther diéthylique, il
va donc se retrouver dans les 2 phases.
b) On a :


























L'éther diéthylique (déther diéthylique = 0,71) est moins dense que l'eau
(deau = 1), il va donc se retrouver au dessus de l'eau. L'éthanol se
répartit dans les 2 phases (voir question précédente). L'octane est très
soluble dans l'éther diéthylique mais pas dans l'eau et c'est le
contraire pour les ions issus du solide ionique : chlorure de sodium.

Correction de l'exercice n°3 : Agent de coagulation
A-1) a) « octodécahydraté » signifie ici « avec 18 molécules d'eau ».
b) L'ion sulfate a pour formule SO42- et l'ion aluminium Al3+. Le solide
ionique doit être neutre, donc, la charge électrique de 3 ions sulfate SO42-
compense la charge de 2 ions aluminium Al3+. La formule du sulfate
d'aluminium octodécahydraté est donc : Al2(SO4)3,18H2O(s). (l'ion sulfate
SO42- a déjà été vu en classe et en TP, c'est mieux de le connaître...)
2) a) L'équation-bilan de la dissolution du sulfate d'aluminium dans l'eau
est :
Al2(SO4)3,18H2O(s) ( 2 Al+(aq) + 3 SO42-(aq) + 18 H2O(l)
b) Lorsque les ions sont hydratés, ils sont entourés de molécules
d'eau, d'où l'état aqueux.
3) a) On va utiliser la méthode de la dilution. Il faut calculer le volume
de solution S0 à prélever (Vp) pour préparer S (qui est certainement
moins concentrée en sulfate d'aluminium). Il faudra donc calculer aussi
la concentration massique en soluté apporté dans la solution S0.
b) On a pour la solution S0, une concentration massique en sulfate
d'aluminium valant :

|Cm0 =|