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Physique-Chimie

Chimie

Analyse physique d'un système chimique

Dans cette vidéo, nous étudions l'exercice de détermination de la concentration d'une solution de chlorure de nickel Ni2+, 2Cl- (S1) de trois manières différentes. 

La première méthode consiste à mesurer la conductivité de S1, en utilisant la loi de conductivité pour calculer C1, la concentration en soluté. La formule utilisée est σ = λNi2+ * C1 + 2λCl- * C1. En utilisant les valeurs données, nous trouvons que C1 = 3 mol/L. 

La deuxième méthode utilise la mesure de l'absorbance de S1 en utilisant la loi de Beer-Lambert, qui est A = ε * L * C. En isolant C1, nous trouvons également une concentration de 3 mol/L. 

La troisième méthode implique la réaction de S1 avec l'hydroxyde de sodium NaOH pour former l'hydroxyde de nickel NiOH2 insoluble. En utilisant un tableau d'avancement, nous trouvons les quantités finales de chaque espèce et pouvons calculer la conductance de S1 à l'état final. En isolant C1, nous trouvons encore une fois une concentration de 3 mol/L. 

En conclusion, les trois méthodes nous donnent la même concentration de 3 mol/L pour la solution de chlorure de nickel. Cette vidéo est donc un bon exercice pour comprendre la résolution de problèmes de concentration à l'aide de différentes méthodes.

Bonjour à tous, c'est Mathis de studio. Dans cette vidéo on va étudier un exercice qui étudie en profondeur le chlorure de nickel. Alors l'objectif de cet exercice est de déterminer la concentration d'une solution de chlorure de nickel Ni2+, 2Cl- et on la note S1. On note également C1, sa concentration en soluté, donc on souhaite déterminer. Et ce qui est original et très intéressant, très riche, on va déterminer cette concentration de trois manières différentes. La première c'est en mesurant la conductivité de S1, on trouve une certaine valeur de conductivité. La deuxième en mesurant l'absorbance cette fois, et puis la troisième en faisant réagir 10 mL de cette solution avec 10 mL d'hydroxyde de sodium NaOH de concentration donnée. Il se forme l'hydroxyde de nickel NiOH2, insoluble, et on mesure alors la conductivité de la solution σF. On donne en plus le spectre d'absorption du chlorure de nickel. Alors première question, justement à partir de ce spectre, de quelle couleur est le chlorure de nickel en solution ? Ici on voit que ça absorbe majoritairement aux alentours de 600-700 nm. 600-700 nm, c'est dans les jaunes, oranges, rouges. Donc par complémentarité, si ça absorbe majoritairement dans les rouges, la solution va apparaître de vert. Maintenant, deuxième, déterminer la concentration C1 grâce à la première méthode. Et oui, puisque lorsqu'on mesure la conductivité de la solution, d'après la loi de conductivité, ça fait intervenir la concentration des différentes espèces. Donc on va s'y référer. Ici, les deux espèces sont conductrices, donc elles apparaissent dans l'équation de la manière suivante. À partir de la loi de conductivité, on la rappelle, pour une formule générale, σ, c'est la somme des λI, donc les conductivités modèles ioniques, fois la concentration des ions considérés. Donc ici, il y en a deux. La conductivité de la solution, c'est λNi2+, fois C1, plus λCl-, attention, la concentration des ions Cl-, c'est deux fois C1. En effet, si on a du mal à se repérer, ici, bien sûr, il faut repérer le coefficient stoichiométrique 2. Alors pour raisonner, est-ce qu'il y a deux fois plus de Cl-, est-ce qu'il y a C1 sur 2, on ne sait pas trop. Dans ces cas-là, j'aime bien raisonner, moi, plutôt en quantité de matière, mais bon, c'est la même chose pour les concentrations. Alors dire, par exemple, qu'il y a trois fois, trois molécules de Ni2+, de Cl-. Bien, s'il y a trois fois ce cristal, juste ici, et que dans chaque cristal, il y a deux Cl-, il y a combien de Cl- en tout ? Il y en a six. Il y en a deux fois plus que le nombre de cristaux en eux-mêmes. Donc, c'est la même pour la concentration. La concentration est deux fois plus élevée en Cl-, c'est pourquoi il ne faut pas oublier ici le 2C1. Donc, tous les autres sont donnés à partir des tables de valeur juste ici, et donc au final, C1, on a juste à l'isoler, c'est σ sur λNi2+, plus 2λCl-. L'application numérique nous donne 3 mol par litre. Attention aux unités, ici, et que σ, il est donné en cm par cm, alors que λ est donné en mCm par m² mol-1. Donc, il faut bien, ce que je vous conseille, c'est de tout exprimer en mètres, donc ainsi, ça va nous donner du mètre moins 3, et au dernier moment, d'appliquer un 10 puissance 3 pour revenir au litre. Donc finalement, on trouve bien 3 mol par litre, c'est une concentration très élevée. Alors, la loi de Berlanbert, pardon, la troisième question, c'est déterminer C1 grâce à la seconde méthode. La seconde méthode, c'est en mesurant l'absorbance. Et aussi, la loi de Berlanbert fait intervenir de la même manière la concentration des espèces colorées. Donc ici, on la rappelle, l'absorbance est égale à ε, le coefficient d'absorption, fois L, la longueur de la cuve, fois C, la concentration de l'espèce colorée. Donc ici, c'est εNi2+, qui nous est donné dans l'étape de valeur, fois L, fois C1. Donc maintenant, on veut isoler C1 pour les déterminer, sachant que A nous est donné, et les autres aussi. On n'a plus qu'à faire l'application numérique. Oui, ici, j'ai oublié de multiplier, je vous le disais aussi, c'est une concentration très élevée. C'est 3, 10 moins 2 mol par litre. Donc on trouve bien la même, j'ai juste fait une erreur de recopiage, on trouve bien la même concentration. Quatrième question, écrire l'équation de la réaction, donc on se penche plutôt sur la troisième étape maintenant, écrire l'équation de la réaction de précipitation entre les ions nickel Ni2+, et les ions hydroxyl H au moins. Donc il faudra apparaître les ions spectateurs présents dans la solution. Donc pour rappel, on mélange cette solution avec ce solidionique ici. Donc on va bien sûr séparer les ions ici en deux, NaOH c'est Na+, plus OH-. Et donc au final, qu'est-ce que ça nous donne pour l'équation de réaction ? Ni2+, plus 2Cl-, ça c'est le premier cristal, plus Na+, plus H au moins, est égal à NiOH2. Donc ici, le OH2, pour équilibrer les différents éléments, on sait qu'on va devoir rajouter un 2 ici et ici. Ça nous donne donc, plus 2Cl-, plus 2Na+, on vérifie rapidement les charges. Ici, on a 2+, 2+, 2-. Enfin, 2+, 2- pardon, 2+, 2-. Et ici bien, on a 2-, 2+, donc l'équation est équilibrement chargée. Ensuite, établir l'expression de la conductivité σF, en fonction des concentrations C1 et C2, et des conductivités moléarioniques des ions présents à l'état final. Alors, pour déterminer la conductivité finale, il faut savoir la composition de notre solution à l'état final. Et oui, vous voyez bien, dans l'expression de la waveconductivité, il faut connaître les différentes concentrations et les espèces qui sont présentes à l'instant final. Donc, ici, ça doit forcément nous faire écho à la méthode la plus importante, bien sûr, c'est le tableau d'avancement. Donc, on fait un tableau d'avancement à partir de là. On part de C1V en Ni2+, 2C1V en Cl-, C2V en Na+, et C2V en Ho-. Et puis, il n'y a pour l'instant pas de produit. Et à l'état final, on a du C1V-XF. Bien sûr, on ne peut pas oublier qu'ici, ces ions sont spectateurs, donc leur concentration ne change pas. Enfin, leur quantité de matière non plus, d'ailleurs. Et puis, ce qui change, on a donc du C1V-XF, C2V-2XF, attention aux coefficients stoichiométriques, et puis XF de formé en NiOH2. Donc, à partir de là, est-ce qu'on peut exprimer les réactifs illimitants, l'avancement final ? Bien, soit on fait la méthode classique, soit XF, c'est égal à C1V, qui vaut environ 3x10-4 d'après ce qu'on a déterminé avant. On se donne un ordre de grandeur, même si c'est C1 qu'on doit déterminer. Soit XF, il vaut C2V sur 2, et c'est 5x10-4. Donc, bien sûr, on prend le plus petit, puisque ça veut dire que la réaction s'arrête avant. Donc finalement, le réactif illimitant, c'est a priori Ni2+. Au final, il n'y a plus de Ni2+, dans l'état final, et il y a C2V-2C1V de HO- dans l'état final, avec C1V de solide qui s'est formé. Donc ça y est, maintenant on a la composition totale de notre état final, et on peut calculer la conductance de la solution à l'état final. C'est parti. Sigma, bien faire attention, on a ici des quantités de matière. On sait que dans l'expression de la conductivité, c'est des concentrations, qu'il faut diviser par un volume, mais ce n'est pas n'importe lequel. On peut faire l'erreur très classique de diviser par V, vu que c'est le volume usuel, sauf qu'ici, on a fait réagir V avec V. Donc au final, on a mis 2V ensemble, le volume total est égal à 2V. Donc, la conductivité finale, on commence par CL-, c'est λCL- fois la concentration de CL-. Donc, c'est la quantité de matière de CL- divisé par 2V, plus λNA+, fois la quantité de matière de NA+, divisé par 2V, plus λHO-, fois la quantité de matière qui reste en HO-, divisé par 2V. Donc on obtient cette expression-là. A partir de là, il s'agit d'extraire C1 de tout ça, sachant que tous les autres sont données. On isole C1, donc on regroupe tout d'abord ce qui dépend de C1 et ce qui dépend de C2 d'un côté, et puis on passe, on va soustraire ceci et diviser par le facteur devant, pour au final obtenir que C1, c'est σF-C2 sur 2, fois λNA+, plus λHO-, le tout divisé par λCL- moins λHO-, et lorsque l'on fait l'application numérique, j'ai encore fait l'erreur de recopiage, c'est bien sûr du 10-2 ici, mol par litre, on obtient bien 3, fois 10-2, mol par litre. Donc, la troisième méthode, vous voyez, est tout de suite un peu plus costaud, c'est vraiment l'étape avancée de la méthode de résolution classique. Il faut savoir, lorsqu'on nous demande une connectivité à un instant précis, tout d'abord il faut déterminer l'état, quelles espèces on trouve particulièrement, et dans quelles concentrations, à cet instant-là, et à partir de là, on doit simplement exprimer, en faisant bien attention, l'expression de la loi de conductivité. Donc, c'est un très bon exercice qui balaie, j'ai envie de dire 3, mais bon, c'est plutôt deux méthodes différentes pour calculer une concentration inconnue, à bien savoir maîtriser, et puis si on veut tenter de s'avancer vers l'enseignement supérieur, et travailler de manière un peu plus avancée, et bien on se penche sur la fin de l'exercice, qui est très intéressante. Merci beaucoup d'avoir suivi cette vidéo, et puis maintenant je vous dis à bientôt !

Chlorure de nickel

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