Attaque de la craie Des élèves de terminale S souhaitent étudier la ...

Attaque de la craie
Des élèves de terminale S souhaitent étudier la cinétique de l'attaque
acide d'un morceau de craie.
A partir des documents et de vos connaissances, vous devrez répondre à
l'ensemble des questions ci-dessous : Document 1 : la craie
La craie s'est formée par accumulation de squelettes de microorganismes
marins, coccolites essentiellement, à l'époque géologique du Crétacé auquel
elle a donné son nom. La craie est une roche sédimentaire contenant presque
exclusivement du carbonate de calcium CaCO3 et un peu d'argile que l'on
négligera dans le cas de notre étude de ce jour. La craie est perméable,
poreuse et friable.
Lorsqu'on verse de l'acide chlorhydrique sur un morceau de craie, la
réaction chimique peut être modélisée par l'équation : CaCO3(s) + 2 H3O+(aq) Ca2+(aq) + CO2(g) + 3H2O(l) Document 2 : les gaz parfaits
Un gaz est parfait lorsque ses molécules n'interagissent pas entre elles,
en dehors des chocs survenant lorsqu'elles se rencontrent. Par ailleurs, la
taille des molécules doit également être considérée comme négligeable par
rapport à la distance intermoléculaire moyenne. Tous les gaz réels, quelle
que soit leur nature chimique, peuvent être parfaits à des pressions
suffisamment basses. Par exemple, le modèle des gaz parfaits s'applique
au dioxygène et à l'azote dans des conditions standards, notamment à 25 °C
et à pression ambiante.
Il existe une loi des gaz parfaits qui s'écrit sous la forme PV = nRT, où
P est la pression d'un gaz (en pascals), V le volume occupé par le gaz (en
m3), n la quantité de matière (en moles), R la constante universelle des
gaz parfaits (8,314 J/K/mol), et T est la température (en kelvins) soit
T(K) =273.15 + T( °C)
Document 3 : la conductivité
La conductivité ?sol d'une solution est la somme des conductivités des ions
présents dans cette solution et s'exprime selon la loi de Kohlrausch :
?sol = [pic] ou
- ?sol représente la conductivité de la solution en S.m-1
- [pic]la conductivité molaire ionique de l'ion qui dépend de la
température, en S.m².mol-1
- Ci la concentration de l'ion i en mol.m-3
La conductivité de certains ions est donnée dans ce tableau ci-dessous : | |H3O+ |Ca2+ |Cl- |Na+ |
|Conductivité |35,0 |12,0 |7,5 |5,0 |
|(mS.m².mol-1) | | | | |
Document 4 : l'acide chlorhydrique :
L'acide chlorhydrique de formule chimique (H3O+(aq) + Cl-(aq)) se trouve
dans la commerce. Une capture de l'étiquette du commerce est représentée ci-
contre :
La masse volumique de l'eau à 20 °C est ?eau=1,00 kg/L
La masse molaire de l'acide chlorhydrique est M=36,5 g/mol
On appellera par la suite cette solution, solution commerciale Document 5 : des résultats expérimentaux Mehdi un élève de la classe de TS5 du lycée Georges Charpak de Muldorf
réalise cette étude cinétique selon les conditions indiquées ci-dessous : - température du laboratoire au moment de l'expérience : 25°C
- pression atmosphérique : Patm = 1,020.105 Pa
- les masses molaires atomiques, en g.mol-1 :M(C) = 12 ;M(H) =
1 ;M(O) = 16 ;M(Ca) = 40
Dans un ballon, on réalise la réaction entre la craie et l'acide
chlorhydrique. Il verse dans le ballon, une solution S un volume Vo= 100 mL d'acide
chlorhydrique à CS=0,10 mol.L-1. A la date t = 0 s, il introduit rapidement
dans le ballon mc=2,0 g de craie tandis qu'un camarade déclenche un
chronomètre. Les élèves relèvent les valeurs du volume VCO2 de dioxyde de
carbone dégagé en fonction du temps. Elles sont reportées dans le tableau
ci-dessous. La pression du gaz est égale à la pression atmosphérique.
|t (s) |0 |
|Etat du système|Avancement|Quantités de matière (mol) |
| |(mol) | |
|Etat initial |0 | | | | | |
|Etat en cours |X | | | | | |
|de | | | | | | |
|transformation | | | | | | |
|Etat final |X max | | | | | | 1. Quel est le réactif limitant ? Quelle est la quantité maximale de
dioxyde de carbone formé ? Commenter.
2. a) Exprimer l'avancement x de la réaction à une date t en fonction de
VCO2, T, Patm et R.
En déduire sa valeur numérique à la date t = 20 s.
Comparer la valeur obtenue avec celle sur le graphique
b) Calculer le volume maximum de gaz susceptible d'être recueilli dans
les conditions de l'expérience. La transformation est-elle
terminée?
3. Les élèves ont calculé les valeurs de l'avancement x et reporté les
résultats sur le graphe donné en annexe (à rendre avec la copie). a) Définir le temps de demi-réaction t1/2.
b) Déterminer graphiquement sa valeur sur l'annexe (effectuer le
tracer )
4. Il souhaite accélérer la réaction sans modifier les quantités
initiales des réactifs. a) Que pouvez-vous leur proposer ?
b) Tracer, sur l'annexe, l'allure de l'évolution de l'avancement en
fonction du temps dans ce cas. Mehdi propose d'utiliser un conductimètre ou un capteur de pression pour
faire le suivi de cette même réaction. 5. Etude du suivi conductimétrique : a) Pourquoi est-il pertinent de proposer une évolution de la
conductivité de la solution ? b) Faire l'inventaire des ions présents dans la solution. Quel est
l'ion spectateur dont la concentration ne varie pas ? c) On observe expérimentalement une diminution de la conductivité.
Justifier sans calcul ce résultat connaissant les valeurs des
conductivités molaires des ions à 25°C. 6. Etude du suivi avec un capteur de pression : Lors de cette étude, il suffit de coiffer l'erlenmeyer d'un bouchon
dans lequel se trouve enfichée la sonde du capteur de pression. À chaque instant la surpression (P - Pi ) est proportionnelle à la
quantité nCO2 de dioxyde de carbone formé et inversement
proportionnelle au volume Vgaz de gaz contenu dans l'erlenmeyer : (P - Pi )Vgaz = nCO2RT , où Pi =1020 hPa représente la
pression mesurée à la date t = 0 s , P la pression mesurée
par le capteur et T la température du
milieu On notera Pmax la pression mesurée à l'état final.
a) Pourquoi est-il pertinent de proposer une évolution de la pression
du milieu réactionnel ? b) Quelle est la relation donnant l'avancement x de la réaction en
fonction de (P - Pi ), Vgaz , R et T ? c) Écrire la relation donnant l'avancement xmax en fonction de Pmax ,
Pi, Vgaz, R et T. d) En déduire la relation donnant l'avancement x : x = xf [pic]