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Pour s'échauffer
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5
Quotient de réaction
Donner l'expression du quotient de réaction Qr pour chacune des réactions chimiques suivantes :
a.CH3CO2H(aq)+H2O(l)⇄CH3CO2−(aq)+H3O+(aq)
b.Cu(s)+2Ag+(aq)⇄Cu2+(aq)+2Ag(s)
c.HO−(aq)+H3O+(aq)⇄2H2O(l)
d.2H2O(l)⇄HO−(aq)+H3O+(aq)
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6
Équation de réaction chimique
Écrire les équations de réaction à partir des quotients de réaction suivants :
a.Qr=[HF]⋅[NH3][NH4+]⋅[F−]
b.Qr=[Ag+]⋅[CN−]2[Ag(CN)2−]⋅(c∘)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)
Cette réaction possède une constante d'équilibre
K=2,5×104 à température ambiante. À l'état initial,
Qr,i=5,1×104.
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)+2e−→Cu(s)
à l'anode : Ag(s)→Ag+(aq)+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.
Dessinez ici
Cliquez sur le schéma pour l'agrandir. Puis cliquez sur modifier pour le compléter.
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Pour commencer
Quotient de réaction
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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.
Le zoom est accessible dans la version Premium.
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) et l'acide sulfurique H2SO4(l) sachant que des
ions sulfate SO42−(aq) sont produits.
3. Exprimer le quotient
de réaction Qr.
Le zoom est accessible dans la version Premium.
Crédits : SPL
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11
Calcul d'un quotient de réaction
✔ REA : Appliquer une formule
Les ions iodure I−(aq), en contact avec les ions peroxodisulfate S2O82−(aq), subissent une oxydation lente. On
s'intéresse au mélange de 100 mL d'une solution de
peroxodisulfate d'ammonium (2NH4+(aq);S2O82−(aq)) de
concentration c1=0,10 mol·L-1 avec 100 mL de solution d'iodure de potassium (K+(aq) ; I−(aq)) de concentration
c2=0,20 mol·L-1.
1. Établir l'équation de la réaction à partir des couples fournis.
2. Exprimer le quotient de réaction Qr.
3. Calculer sa valeur à l'état initial.
La constante d'équilibre de cette réaction est égale à K=2×1046.
4. Conclure quant au caractère total ou non de la réaction.
Donnée
Couples d'oxydoréduction : I2(aq)/I−(aq) et S2O82−(aq)/SO42−(aq)
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Constante d'équilibre
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12
Calcul de la constante d'équilibre (1)
✔ REA : Appliquer une formule
L'acide ascorbique C6H8O6, plus connu sous le nom de vitamine C, réagit avec l'eau selon l'équation :
C6H8O6(aq)+H2O(l)⇄C6H7O6−(aq)+H3O+(aq)
À l'équilibre, les concentrations sont les suivantes :
[C6H8O6]=2,6×10−1 mol⋅L-1 ;
[C6H7O6−]=3,1×10−3 mol⋅L-1 ;
[H3O+]=6,7×10−3 mol⋅L-1.
Calculer la constante d'équilibre K de cette réaction.
Doc
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) réagit avec les ions argent Ag+(aq) selon la réaction d'équation :
Cu(s)+2Ag+(aq)⇄2Ag(s)+Cu2+(aq)
On plonge une lame de cuivre dans une solution de
nitrate d'argent (Ag+(aq);NO3−(aq)) de concentration
c=0,50 mol·L-1.
1. Calculer le quotient de réaction à l'instant initial.
2. À l'équilibre [Cu2+]eq=0,25 mol·L-1 et
[Ag+]eq=1,1×10−8 mol·L-1, calculer la constante d'équilibre K de la réaction.
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Sens d'évolution
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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). Il se produit la réaction d'oxydoréduction suivante :
Zn(s)+Cu2+(aq)⇄Zn2+(aq)+Cu(s)
La constante d'équilibre de cette réaction est égale à K=1,9×1037.
Réaction d'oxydoréduction
Le zoom est accessible dans la version Premium.
Crédits : Andréa Aubert/EDS
En présence d'ions cuivre Cu2+(aq), le zinc Zn(s) s'oxyde.
Préciser le sens d'évolution de la réaction sachant que [Cu2+]i=2,0×10−2 mol⋅L-1 et [Zn2+]i=3,5×10−2 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), des ions hypochlorite ClO−(aq) et des ions sodium Na+(aq). Mélangé à une solution acide contenant des ions oxonium H3O+(aq), ce produit ménager
peut réagir selon l'équation suivante :
ClO−(aq)+Cl−(aq)+2H3O+(aq)⇄Cl2(aq)+2H2O(l)
1. Exprimer le quotient de réaction Qr.
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)
formé pour 2,0 g d'ions
hypochlorite ClO−(aq)
réagissant avec des ions
oxonium H3O+(aq) et
chlorure Cl−(aq) en excès.
3. Le dichlore Cl2(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=24 L⋅mol-1
Constante d'équilibre : K=3,2×105
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Piles électriques
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16
Tension à vide d'une pile
✔ REA : Appliquer une formule
Une pile alcaline fonctionne à partir des couples
Zn(s)/ZnO(s) à l'anode et MnO2(s)/Mn2O3(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 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) et la borne COM à la lame de plomb Pb(s).
Le zoom est accessible dans la version Premium.
Crédits : Lelivrescolaire.fr
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.
Doc
Collecte et recyclage
Le zoom est accessible dans la version Premium.
Crédits : petovarga/Shutterstock
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.
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A
Pile bouton air-zinc
✔ RAI/ANA : Construire un raisonnement ✔ RAI/MOD : Modéliser une transformation
Une pile bouton possède une capacité électrique Qmax=250 mA·h et génère un courant supposé constant
d'intensité I=5,0 mA. Les demi-équations sont :
Zn(s)+4HO−(aq)=Zn(OH)42−(aq)+2e−
O2+4e−+2H2O(l)=4HO−(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=24 L·mol-1
Constante de Faraday : F=9,65×104 C·mol-1
Doc
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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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 :
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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.
Dessinez ici
Le fil électrique possède une résistance de 0,010Ω.
2. Calculer l'intensité du courant I 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
Savoir-faire : Savoir déterminer les caractéristiques d'une pile
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19
Capacité électrique et durée de vie
✔ REA : Appliquer une formule
Un fabricant indique que sa pile peut débiter un courant
d'intensité I=35 mA pendant 800 h.
1. Calculer la capacité électrique maximale Qmax de la pile (en A⋅h).
2. Convertir Qmax 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) et d'une cathode en cuivre Cu(s).
1. Écrire les demi‑équations des couples Zn2+(aq)/Zn(s) et Cu2+(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 Qmax en fonction de la quantité de matière de zinc n(Zn).
Données
Masse molaire du zinc : M(Zn)=65,4 g⋅mol-1
Constante de Faraday : F=9,65×104 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)+2HO−(aq)→ZnO(s)+H2O(l)+2e−
MnO2(s)+H2O(l)+e−→MnO(OH)(s)+HO−(aq)
Exprimer puis calculer la capacité électrique Qmax de cette pile.
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