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Bac Physique-Chimie

Asie 2

Dans cette vidéo, Theobald de Cidéo nous présente un exercice de chimie portant sur une méthode conductimétrique pour contrôler la teneur en acide formique d'une solution aqueuse. 

La première partie de l'exercice nous rappelle que l'acide formique est une bonne solution pour stocker le dihydrogène. L'objectif maintenant est donc de contrôler la teneur en acide formique d'une solution aqueuse préparée par des chercheurs de l'Université de Reuss. Pour cela, on dilue 100 fois une solution aqueuse S0 d'acide formique pour obtenir une solution S1 de concentration C1. On prélève ensuite un volume V1 de cette solution pour mesurer sa conductivité. 

Pour exprimer la conductivité sigma de la solution, on utilise la formule de la conductivité qui est la somme des conductivités ioniques molaires des ions oxynium et des ions formiate, multipliée par leurs concentrations respectives. On néglige ici l'autoprotolyse de l'eau. 

Ensuite, on nous demande de déduire une relation entre la conductivité sigma, les conductivités molaires ioniques lambda H3O+ et lambda HCO- et le volume V1. On utilise le tableau d'avancement pour montrer que sigma est égale à la concentration d'ions H3O+ multipliée par la conductivité molaire des ions H3O+, plus la concentration d'ions formiate multipliée par la conductivité molaire des ions formiate. 

L'exercice suivant consiste à montrer que l'avancement en fin de réaction XF est égal à 3,56 x 10-3 mol. Pour cela, on utilise la mesure de la conductivité de la solution (144 mSqm) et on isole XF dans la formule. On trouve alors XF en fonction de sigma et on effectue le calcul numérique pour obtenir la valeur de XF. 

Ensuite, on introduit la constante d'équilibre Ka et on montre qu'elle peut s'écrire en fonction de XF, V1 et C1. On isole C1 dans la formule pour déterminer la concentration molaire de la solution S1 utilisée pour la conductimétrie. On effectue le calcul numérique pour obtenir la valeur de C1. 

Ensuite, on déduit la concentration molaire de la solution mère S0 en utilisant la dilution de 100 fois de S0 pour obtenir S1. On trouve que la concentration de S0 est environ égale à 7,16 mol par litre. 

Enfin, on compare qualitativement la concentration obtenue avec la teneur en acide formique annoncée dans le document 2. On constate que la concentration obtenue (7,16 mol par litre) est en accord avec celle mentionnée dans le document 2 (7,0 mol par litre). 

Il s'agit du résumé en SEO friendly de ce cours.

Bonjour à tous, c'est Théobald de Cidéo, et dans cette vidéo, on va faire un exercice de chimie dans lequel on s'intéresse à une méthode conductimétrice qui permet de contrôler la teneur en acide formique d'une solution aqueuse. C'est un exercice qui est extrait du bac de l'année dernière. Dans la première partie, si vous vous souvenez, la partie A de cet exercice, on nous disait que l'acide formique était une bonne solution pour stocker le dihydrogène. Et donc maintenant, ce qu'on veut faire, c'est contrôler la teneur en acide formique d'une solution aqueuse formée par des chercheurs de l'Université de Reuss. Ce qu'on fait, c'est qu'on dilue 100 fois une solution aqueuse S0 d'acide formique qui est préparée par les chercheurs. Et on obtient une solution phi S1 de concentration C1. On va prélever un volume V1 qui vaut un litre de cette solution, et on va réaliser une mesure de la conductivité de la solution S1. On nous dit que l'équation de réaction de l'acide formique avec l'eau, c'est donc on fait réagir l'acide formique avec l'eau et on obtient les ions HCO au moins et les ions H3 au plus. Et pour relier la conductivité à la concentration, on va négliger l'autopotolyse de l'eau et on va supposer que les seules espèces qui contribuent à la conductivité, c'est les ions oxynium et les ions formiate HCO au moins. Première question, exprimer la conductivité sigma de la solution en fonction des concentrations et des conductivités molaires ioniques des ions oxynium et des ions formiate. Très bien, petit rappel, la conductivité sigma, c'est une grandeur qui va mesurer la capacité d'une solution à conduire le courant. Et puisque dans une solution, qui est-ce qui participe à la conduction du courant ? En fait, c'est les ions, c'est uniquement les ions. Et plus il y en a, ou en tout cas plus ils sont concentrés, plus grande sera cette conductivité. Elle se mesure en Siemens par mètre. Et donc, sa formule, en fait, on va sommer les conductivités ioniques molaires des différentes espèces présentes en solution, qu'on multiplie à leur concentration molaire. Donc, on va faire pareil avec les ions oxynium et les ions formiate. Donc, sigma, c'est la concentration H3O+, fois la conductivité molaire des ions H3O+, plus la concentration ions formate, multipliée par leur conductivité molaire. Attention, ici, c'est H3O+, la concentration d'H3O+, c'est bien une concentration molaire, ne vous trompez pas. Puis, on nous demande de déduire une relation entre sigma, lambda H3O+, lambda HCO- et V1. Et aussi, l'avancement XF en fin de réaction pour la réaction 1. Alors, la réaction 1, elle est donnée juste là. C'est celle-ci, c'est une réaction acido-basique. Alors, qu'est-ce qu'on nous dit ? On nous dit qu'on a un volume de solution aqueuse. Ça, c'est notre volume V1. Et puis, on fait un tableau d'avancement, qui est juste là. Et on va faire une réaction. Donc, au début, on a mis une quantité de matière en acide formique, qui est sa concentration initiale multipliée par le volume V1, qui est le volume de la solution aqueuse. L'eau, c'est un solvant. Puis, on n'avait pas d'ion formiate. Et au début, on n'avait pas non plus d'ion H3O+. On n'avait pas d'ion H3O+, parce que l'autoprotolyse de l'eau était négligée. On l'a dit au début. À l'état final, on a formé XFmol de H3O+, XFmol de HCO-. Le solvant reste le solvant. Et on a retiré XFmol à ma quantité de matière initiale en acide. Ce qu'on nous demande, c'est sigma. Sigma, avec la formule d'avance, c'était la concentration des ions en H3O+. Ça, c'est ça, puisque j'ai multiplié la quantité de matière à l'état final par le volume. Et la concentration des ions en HCO-, ça, c'est XF. Et du coup, on obtient bien cette formule-là. On peut factoriser en mettant XF fois V1 en facteur. Et donc, on obtient ça. Question suivante, on nous demande la mesure de la conductivité de la solution. On nous dit qu'elle vaut 144 mSqm. Et on nous demande de montrer que l'avancement en fin de réaction a pour valeur XF, qui vaut 3,56 fois 10-3 mol. Ce qu'on sait, c'est que nous, on connaît sigma. Et donc, on va pouvoir trouver XF en fonction de sigma. Si j'isole XF, pour ça, je vais multiplier par l'inverse de tout ça des deux côtés. Et j'obtiens bien XF qui vaut sigma sur V1 facteur des deux conductivités molaires de mes ions présents. Et je peux directement faire mon application numérique. Et donc, j'obtiens que XF vaut 3,56 fois 10-3 mol. Effectivement, on a bien le bon nombre de chiffres significatifs à chaque fois ici. On admet ensuite que la constante d'équilibre Ka peut s'écrire en fonction de l'avancement en fin de réaction. Et elle s'écrit comme ça. On dit que c'est le rapport XF sur V1 au carré multiplié par 1 sur la concentration standard fois C1. La concentration standard, c'est 1,00 mol par litre. En fait, elle est là uniquement pour une question de respect des unités dans cette formule. Et donc, on demande de déterminer la valeur de la concentration molaire C1 de la solution S1. Donc, la solution qu'on a utilisée pour faire notre conductimétrie. Notre but, c'est donc d'utiliser cette formule pour isoler S1. C'est la seule chose à faire dans cette question. Et bien, ce que j'ai fait, c'est que je recopie juste là dans un premier temps. Et après, j'ai multiplié par C1 des deux côtés. Donc là, ça s'élimine et j'obtiens C1 Ka qui vaut XF carré sur V1 carré fois 1 sur C standard. Et puis, je divise par 1 sur Ka, enfin je multiplie par 1 sur Ka des deux côtés. Et j'obtiens C1 qui vaut XF carré sur V1 carré fois 1 sur C standard Ka. On fait notre application numérique et on obtient que C1 vaut 7,16 fois 10 moins 2 mol par litre. On nous demande ensuite d'en déduire la concentration molaire de la solution mère. On avait fait une dissolution pour passer de la solution S0 à la solution S1. C'est ce que j'explique ici. Voilà, on a dilué 100 fois S0 pour obtenir S1. Qu'est-ce que ça veut dire ça ? En fait, ça veut dire que la concentration de ma solution phi, C1, elle est 100 fois plus faible que la concentration de la solution mère. Donc, c'est C0 divisé par 100. Je peux isoler C0. C0, il vaut 100 fois la concentration de la solution phi C1. Bon, très bien, on peut calculer directement. C0, j'ai juste enlevé le 10 moins 2 ici. Et donc, C0, il vaut 7,16 mol par litre. On nous demande de comparer qualitativement la concentration obtenue à la teneur en acide formique annoncée dans l'article du document 2. Alors, le document 2, c'est celui-là. Et il nous dit que les ingénieurs de l'université de Rice, ils ont réussi à faire de l'acide formique en solution aqueuse contenant 30% en masse d'acide formique, soit 7,0 mol par litre. Eh bien, écoute, c'est à peu près ce qu'on a réussi à faire nous aussi. On a bien 7,16 mol par litre, donc environ 7,0 mol par litre. Donc, la concentration est plutôt en accord avec celle mentionnée dans le document 2. C'est la fin de cet exercice. Si vous avez des questions, n'hésitez pas à les poser en commentaire. Et puis, on se retrouve pour l'exercice suivant.

L’acide formique pour stocker le dihydrogène (2)

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