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Exercices Pour s'échauffer/Pour commencer
P.163-165

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Exercices




Savoir-faire - Parcours d'apprentissage

7
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5
34

DIFF
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30
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Pour s'échauffer


5
Quotient de réaction

Donner l’expression du quotient de réaction QrQ_\text{r} pour chacune des réactions chimiques suivantes :

a. CH3CO2H(aq)+H2O(l)CH3CO2(aq)+H3O+(aq)\mathrm{CH}_{3} \mathrm{CO}_{2} \mathrm{H}(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightleftarrows \mathrm{CH}_{3} \mathrm{CO}_{2}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}(\mathrm{aq})


b. Cu(s)+2 Ag+(aq)Cu2+(aq)+2 Ag(s)\mathrm{Cu}(\mathrm{s})+2  \mathrm{Ag}^{+}(\mathrm{aq}) \rightleftarrows \mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{Ag}(\mathrm{s})


c. HO(aq)+H3O+(aq)2 H2O(l)\mathrm{HO}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}(\mathrm{aq}) \rightleftarrows 2  \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})


d. 2 H2O(l)HO(aq)+H3O+(aq)2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightleftarrows \mathrm{HO}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}(\mathrm{aq})
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6
Équation de réaction chimique

Écrire les équations de réaction à partir des quotients de réaction suivants :

a. Qr=[NH4+][F][HF][NH3]Q_\text{r}=\dfrac{\left[\mathrm{NH}_{4}^{+}\right] \cdot\left[\mathrm{F}^{-}\right]}{[\mathrm{HF}] \cdot\left[\mathrm{NH}_{3}\right]}


b. Qr=[Ag(CN)2](c)2[Ag+][CN]2Q_\text{r}=\dfrac{\left[\mathrm{Ag(CN)}_{2}^{-}\right] \cdot\left(c^{\circ}\right)^2}{[\mathrm{Ag^+}] \cdot\left[\mathrm{CN}^{-}\right]^2}
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7
Sens spontané

On considère la réaction dont l’équation s’écrit :
CH3COOH(aq)+NH3(aq)CH3COO(aq)+NH4+(aq)\mathrm{CH}_{3} \mathrm{COOH}(\mathrm{aq})+\mathrm{NH}_{3}(\mathrm{aq}) \rightleftarrows \mathrm{CH}_{3} \mathrm{COO}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{NH}_{4}^{+}(\mathrm{aq})

Cette réaction possède une constante d’équilibre K=2,5×104K = 2{,}5 \times 10^4 à température ambiante. À l’état initial, Qr,i=5,1×104Q_\text{r,i} = 5{,}1 \times 10^4.

Déterminer le sens d’évolution spontanée de cette réaction.
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8
Pile cuivre‑argent

Les demi-équations d’une pile cuivre‑argent sont :
  • à la cathode : Cu2+(aq)+2 eCu(s)\mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{Cu}(\mathrm{s})
  • à l’anode : Ag(s)Ag+(aq)+e\mathrm{Ag}(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{Ag}^{+}(\mathrm{aq})+\mathrm{e}^{-}

Écrire l’équation de fonctionnement de la pile.
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9
Schéma d'une pile

Annoter ce schéma avec les termes : anode, cathode et pont salin.

Schéma d'une pile

Cliquez sur le schéma pour l'agrandir. Puis cliquez sur modifier pour le compléter.

Pour commencer

Quotient de réaction (⇧)


10
Consignes de sécurité en laboratoire

RAI/MOD : Modéliser une transformation

Le mélange de l’eau avec certains acides, dits forts, provoque une réaction fortement exothermique.
logo attention corrosif

1. Expliquer cette consigne de sécurité en laboratoire : « Ne jamais verser l’eau dans l’acide. Toujours verser l’acide dans l’eau. »


2. Écrire l’équation de la réaction acide-base entre l’eau H2O(l)\text{H}_2\text{O(l)} et l’acide sulfurique H2SO4(l)\text{H}_2\text{SO}_4\text{(l)} sachant que des ions sulfate SO42(aq)\text{SO}_{4}^{2-}\text{(aq)} sont produits.


3. Exprimer le quotient de réaction QrQ_\text{r}.


réaction exothermique
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11
Calcul d’un quotient de réaction

REA : Appliquer une formule

Les ions iodure I(aq)\text{I}^-\text{(aq)}, en contact avec les ions peroxodisulfate S2O82(aq)\mathrm{S}_{2} \mathrm{O}_{8}^{2-}(\mathrm{aq}), subissent une oxydation lente. On s’intéresse au mélange de 100100 mL d’une solution de peroxodisulfate d’ammonium (2 NH4+(aq);S2O82(aq))\left(2  \mathrm{NH}_{4}^{+}(\mathrm{aq}) ; \mathrm{S}_{2} \mathrm{O}_{8}^{2-}(\mathrm{aq})\right) de concentration c1=0,10c_1 = 0{,}10 mol·L-1 avec 100100 mL de solution d’iodure de potassium (K+(aq) ; I(aq))\text{(K}^+\text{(aq) ; I}^-\text{(aq))} de concentration c2=0,20c_2 = 0{,}20 mol·L-1.

1. Établir l’équation de la réaction à partir des couples fournis.


2. Exprimer le quotient de réaction QrQ_\text{r}.


3. Calculer sa valeur à l’état initial.


La constante d’équilibre de cette réaction est égale à K=2×1046K = 2 \times 10^{46}.

4. Conclure quant au caractère total ou non de la réaction.


Données
  • Couples d’oxydoréduction : I2(aq)/I(aq)\mathrm{I}_{2}(\mathrm{aq}) / \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq}) et S2O82(aq)/\mathrm{S}_{2} \mathrm{O}_{8}^{2-}(\mathrm{aq}) / SO42(aq)\mathrm{SO}_{4}^{2-}(\mathrm{aq})
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Constante d’équilibre (⇧)


12
Calcul de la constante d’équilibre (1)

REA : Appliquer une formule

L’acide ascorbique C6H8O6\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_6, plus connu sous le nom de vitamine C, réagit avec l’eau selon l’équation :
C6H8O6(aq)+H2O(l)C6H7O6(aq)+H3O+(aq)\mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{8} \mathrm{O}_{6}(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightleftarrows \mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{7} \mathrm{O}_{6}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}(\mathrm{aq})

À l’équilibre, les concentrations sont les suivantes :
  • [C6H8O6]=2,6×101\text{[C}_6\text{H}_8\text{O}_6] = 2{,}6 \times 10^{-1} mol⋅L-1  ;
  • [C6H7O6]=3,1×103\text{[C}_6\text{H}_7\text{O}_{6}^{-}] = 3{,}1 \times 10^{-3} mol⋅L-1  ;
  • [H3O+]=6,7×103\text{[H}_3\text{O}^+] = 6{,}7 \times 10^{-3} mol⋅L-1.

Calculer la constante d’équilibre KK de cette réaction.


Scorbut

Le scorbut est une maladie due à un déficit alimentaire en acide ascorbique, plus connu sous le nom de vitamine C. Les symptômes les plus fréquents sont des malaises, une léthargie et une faiblesse généralisée. Durant la progression de la maladie, les articulations, les muscles, et les tissus sous‑cutanés peuvent subir des hémorragies.
La carence en acide ascorbique se retrouve fréquemment chez les enfants en bas âge nourris au lait de vache non supplémenté, exclusivement pendant leur première année. On le retrouve aussi souvent chez des patients atteint d’alcoolisme chronique.
D’après chu-rouen.fr.
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13
Calcul de la constante d’équilibre (2)

REA : Appliquer une formule

Le cuivre Cu(s)\text{Cu(s)} réagit avec les ions argent Ag+(aq)\text{Ag}^+\text{(aq)} selon la réaction d’équation :
Cu(s)+2 Ag+(s)2 Ag(s)+Cu2+(aq)\mathrm{Cu}(\mathrm{s})+2 \mathrm{Ag}^{+}(\mathrm{s}) \rightleftarrows 2 \mathrm{Ag}(\mathrm{s})+\mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq})

On plonge une lame de cuivre dans une solution de nitrate d’argent (Ag+(aq);NO3(aq))\left(\text{Ag}^{+}\text{(aq)} ; \text{NO}_{3}^{-}\text{(aq)}\right) de concentration c=0,50c = 0{,}50 mol·L-1.

1. Calculer le quotient de réaction à l’instant initial.


2. À l’équilibre [Cu2+]eq=0,25\text{[Cu}^{2+}]_\text{eq} = 0{,}25 mol·L-1 et [Ag+]eq=1,1×108\text{[Ag}^+]_\text{eq} = 1{,}1 \times 10^{-8} mol·L-1, calculer la constante d'équilibre KK de la réaction.
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Sens d'évolution (⇧)


14
Sens d’évolution d’une réaction

VAL : Analyser des résultats

Une lame de zinc est plongée dans une solution contenant des ions Cu2+(aq)\text{Cu}^{2+}\text{(aq)}. Il se produit la réaction d’oxydoréduction suivante :
Zn(s)+Cu2+(aq)Zn2+(aq)+Cu(s)\mathrm{Zn}(\mathrm{s})+\mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightleftarrows \mathrm{Zn}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Cu}(\mathrm{s})

La constante d’équilibre de cette réaction est égale à K=1,9×1037K = 1{,}9 \times 10^{37}.

Réaction d’oxydoréduction
réaction d'oxydoréduction
En présence d’ions cuivre Cu2+(aq)\text{Cu}^{2+}\text{(aq)}, le zinc Zn(s)\text{Zn(s)} s’oxyde.

Préciser le sens d’évolution de la réaction sachant que [Cu2+]i=2,0×102\left[\mathrm{Cu}^{2+}\right]_{\mathrm{i}}=2{,}0 \times 10^{-2} mol⋅L-1 et [Zn2+]i=3,5×102\left[\mathrm{Zn}^{2+}\right]_{\mathrm{i}}=3{,}5 \times 10^{-2} mol⋅L-1.
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15
Accident domestique

REA : Appliquer une formule

L’eau de Javel est une solution aqueuse contenant des ions chlorure Cl(aq)\text{Cl}^-\text{(aq)}, des ions hypochlorite ClO(aq)\text{ClO}^-\text{(aq)} et des ions sodium Na+(aq)\text{Na}^+\text{(aq)}. Mélangé à une solution acide contenant des ions oxonium H3O+(aq)\text{H}_3\text{O}^+\text{(aq)}, ce produit ménager peut réagir selon l’équation suivante :
ClO(aq)+Cl(aq)+2 H3O+(aq)Cl2(aq)+2 H2O(l)\mathrm{ClO}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{aq})+2  \mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}(\mathrm{aq}) \rightleftarrows \mathrm{Cl}_{2}(\mathrm{aq})+2  \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})


1. Exprimer le quotient de réaction QrQ_\text{r}.


2. Compte tenu de la constante d’équilibre fournie, et en supposant que tout le dichlore reste en solution, calculer la quantité de matière de dichlore Cl2(aq)\text{Cl}_2\text{(aq)} formé pour 2,02{,}0 g d'ions hypochlorite ClO(aq)\text{ClO}^-\text{(aq)} réagissant avec des ions oxonium H3O+(aq)\text{H}_3\text{O}^+\text{(aq)} et chlorure Cl(aq)\text{Cl}^-\text{(aq)} en excès.


3. Le dichlore Cl2(aq)\text{Cl}_2\text{(aq)} en solution passe rapidement dans l’air, ce qui diminue sa concentration en solution. En déduire le sens d’évolution de la réaction.


4. Expliquer le danger à nettoyer ses toilettes en y versant de l’acide chlorhydrique puis de l’eau de Javel.


Données
  • Volume molaire à 20 °C sous 1,013 hPa : Vm=24V_\text{m} = 24 L⋅mol-1
  • Constante d’équilibre : K=3,2×105K = 3{,}2 \times 10^{5}
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Piles électriques (⇧)


16
Tension à vide d’une pile

REA : Appliquer une formule

Une pile alcaline fonctionne à partir des couples Zn(s)/ZnO(s)\text{Zn(s)/ZnO(s)} à l’anode et MnO2(s)/Mn2O3(s)\text{MnO}_2\text{(s)/Mn}_2\text{O}_3\text{(s)} à la cathode.

1. Rappeler ce qu’est la tension à vide d’une pile.


2. On place un voltmètre aux bornes de la pile, sa borne COM\text{COM} est reliée à la cathode. La tension à vide de cette pile est de 4,5 V. En déduire la valeur affichée par le voltmètre.
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17
Vélo électrique

REA : Appliquer une formule

Une batterie de vélo à assistance électrique a une capacité électrique de 4 A⋅h. Sur le plat, la batterie débite un courant de 0,5 A. En montée, le courant est de 3 A.

1. Déterminer la durée de fonctionnement de l’assistance électrique sur une route horizontale.


2. Calculer la durée de fonctionnement de l’assistance pour une route exclusivement en pente ascendante.
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18
Pile cuivre-plomb

RAI/MOD : Modéliser une transformation

La borne d’entrée d’un voltmètre est reliée à la lame de cuivre Cu(s)\text{Cu(s)} et la borne COM\text{COM} à la lame de plomb Pb(s)\text{Pb(s)}.
schéma d'une pile cuivre-plomb

1. Déterminer le sens du courant.


2. Identifier l’anode et la cathode.


3. À l’aide du schéma, écrire les demi‑équations d’oxydoréduction.


4. En déduire l’équation de fonctionnement de la pile.


Collecte et recyclage

Image de piles et accumulateurs
1,3 milliard de piles et accumulateurs sont mis sur le marché en France. Cela représente environ 30 000 tonnes de matériaux.

En 2019, seulement 73 % des matériaux constituant les piles peuvent être recyclés. Leur utilisation n’est donc pas sans danger pour l’environnement.

Cliquez ici pour retrouver plus d'informations sur le recyclage des piles.
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Supplément numérique
A
Pile bouton air-zinc

RAI/ANA : Construire un raisonnement
RAI/MOD : Modéliser une transformation

Une pile bouton possède une capacité électrique Qmax=250Q_\text{max} = 250 mA·h et génère un courant supposé constant d’intensité I=5,0I = 5{,}0 mA. Les demi-équations sont :

Zn(s)+4 HO(aq)=Zn(OH)42(aq)+2 e\text{Zn(s)} + 4 \ \text{HO}^-(\text{aq}) = \text{Zn(OH)}^{2-}_4(\text{aq}) + 2 \ \text{e}^-

O2+4 e+2 H2O(l)=4 HO(aq)\text{O}_2 + 4\ \text{e}^- + 2 \ \text{H}_2\text{O(l)} = 4 \ \text{HO}^-(\text{aq})

1. Identifier l’anode et la cathode.


2. Écrire l’équation de réaction globale de la pile bouton.


3. Préciser la quantité d’électrons échangés lors de la réaction.


4. Calculer la durée de fonctionnement de la pile.


5. En déduire la masse de zinc disparue.


6. Calculer le volume de dioxygène consommé.


Données
  • Volume molaire à 20 °C sous 1 013 hPa : Vm=24V_\text{m} = 24 L·mol-1
  • Constante de Faraday : F=9,65×104F = 9{,}65 \times 10^4 C·mol-1

Piles bouton
Parmi les différentes sortes de piles « boutons » existe la pile bouton au lithium. Cette pile est très utilisée dans les jouets pour enfants mais nécessite des précautions d’usage.

« Dans un milieu humide comme l’œsophage, l’action électrique des piles est dangereuse pour les tissus. Le lithium qu’elles contiennent peut également s’avérer dangereux s’il se diffuse inopinément dans l’œsophage, et entraîner la formation de lésions potentiellement mortelles. Un phénomène qui touche majoritairement les 0‑5 ans et qui conduit, chaque année en France, plus de 1 200 personnes aux urgences. À noter que deux des derniers incidents concernaient des enfants de 6 et 10 ans ayant mis dans leur bouche un hand spinner lumineux, dont la pile est sortie de son compartiment. »

D’après LCI, décembre 2017.
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Supplément numérique
B
Masses des électrodes

RAI/ANA : Construire un raisonnement

Une pile alcaline possède une capacité de 38 mA·h. Les demi-équations d’oxydoréduction aux électrodes sont :
Zn(s)+4 HO(aq)=Zn(OH)42(aq)+2 e\text{Zn(s)} + 4 \ \text{HO}^-\text{(aq)} = \text{Zn(OH)}^{2-}_4 \text{(aq)} + 2 \ \text{e}^-

MnO2(s)+H2O(l)+e=MnO(OH)(s)+HO(aq)\text{MnO}_2\text{(s)} + \text{H}_2\text{O(l)} + \text{e}^- = \text{MnO(OH)(s)} + \text{HO}^-\text{(aq)}

Calculer les masses minimales des électrodes.


Données
  • Masses molaires atomiques : M(Mn)=54,9M(\text{Mn}) = 54{,}9 g·mol-1, M(O)=16,0M(\text{O}) = 16{,}0 g·mol-1 et M(Zn)=65,4M(\text{Zn}) = 65{,}4 g·mol-1
  • Constante de Faraday : F=9,65×104F = 9{,}65 \times 10^4 C·mol-1
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Supplément numérique
C
Court‑circuit

APP : Extraire l’information utile

Une pile, ou plus généralement un générateur, se retrouve en court‑circuit lorsque ses deux bornes positive et négative sont reliées, par un fil ou du métal par exemple.

1. Faire le schéma d’un court-circuit.
Couleurs
Formes
Dessinez ici

Le fil électrique possède une résistance de 0,010 Ω0{,}010 \ \Omega.

2. Calculer l’intensité du courant II débité par une pile de 12 V en court‑circuit.


3. En déduire la puissance dissipée par effet Joule.


4. Calculer l’énergie dissipée au bout de 1,0 min.


5. Expliquer le phénomène observé lorsqu’on place de la paille de fer entre les bornes d’une pile 4,5 V.
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Une notion, trois exercices (⇧)


DIFFÉRENCIATION

19
Capacité électrique et durée de vie ◉◉

REA : Appliquer une formule

Un fabricant indique que sa pile peut débiter un courant d’intensité I=35I = 35 mA pendant 800 h.

1. Calculer la capacité électrique maximale QmaxQ_\text{max} de la pile (en A⋅h).


2. Convertir QmaxQ_\text{max} en coulomb (C).
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20
Pile Daniell ◉◉

REA : Appliquer une formule

La pile Daniell est constituée d’une anode en zinc Zn(s)\text{Zn(s)} et d’une cathode en cuivre Cu(s)\text{Cu(s)}.

1. Écrire les demi‑équations des couples Zn2+(aq)/Zn(s)\text{Zn}^{2+}\text{(aq)/Zn(s)} et Cu2+(aq)/Cu(s)\text{Cu}^{2+}\text{(aq)/Cu(s)}.


2. En déduire l’équation de fonctionnement de la pile.


3. Déterminer la quantité d’électrons mis en jeu d’après l’équation de la réaction.


4. Exprimer la capacité électrique QmaxQ_\text{max} en fonction de la quantité de matière de zinc n(Zn)n\text{(Zn)}.


Données
  • Masse molaire du zinc : M(Zn)=65,4M\text{(Zn)} = 65{,}4 g⋅mol-1
  • Constante de Faraday : F=9,65×104F = 9{,}65 \times 10^4 C⋅mol-1
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21
Pile alcaline ◉◉◉

RAI/ANA : Construire un raisonnement

Une pile alcaline fonctionne avec une électrode en zinc de 20 g et une en dioxyde de manganèse de masse inconnue. Les deux demi‑équations sont :
Zn(s)+2 HO(aq)ZnO(s)+H2O(l)+2 e\mathrm{Zn}(\mathrm{s})+2  \mathrm{HO}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{ZnO}(\mathrm{s})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+2  \mathrm{e}^{-}
MnO2(s)+H2O(l)+eMnO(OH)(s)+HO(aq)\mathrm{MnO}_{2}(\mathrm{s})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+\mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{MnO}(\mathrm{OH})(\mathrm{s})+\mathrm{HO}^{-}(\mathrm{aq})

Exprimer puis calculer la capacité électrique QmaxQ_\text{max} de cette pile.
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