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Physique-Chimie 1re

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Exercices




Équations bilans


Doc. 1
Électrolyse de l’alumine

L’aluminium est un métal léger et très utilisé dans l’industrie comme dans l’aéronautique. La bauxite est un minerai qui contient de l’alumine, oxyde d’aluminium de formule Al2O3(s)\mathrm{Al}_{2} \mathrm{O}_{3}(\mathrm{s}). Cet aluminium est extrait par électrolyse.

L’alumine est fondu à haute température dans une cuve contenant du carbone. Un courant continu de haute intensité (100 kA sous 4,50 V) traverse la cuve et réalise la transformation des ions aluminium Al3+(l)\mathrm{Al}^{3+}(\mathrm{l}) en aluminium Al(s)\mathrm{Al(s)}, et des ions oxygène O2(l)\mathrm{O}^{2-}(\mathrm{l}) en dioxygène O2(g)\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}). L’aluminium liquide se dépose au fond de la cuve, le dioxygène réagit avec le carbone et s’échappe sous forme de dioxyde de carbone.

Doc. 2
Sodium dans l’eau

Sodium dans l’eau
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10
Écrire l’équation d’une réaction redox

RAI/MOD : Modéliser une transformation chimique

Établir les équations bilans des réactions :

a. du cuivre Cu(s)\mathrm{Cu}(\mathrm{s}) avec le dibrome Br2(aq)\mathrm{Br}_{2}(\mathrm{aq}).


b. de l’acide iodhydrique (H+(aq);I(aq))\left(\mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})\:;\:\mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq})\right) avec le chlorure ferrique (Fe3+(aq);3Cl(aq))\left(\mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})\:;\:3\:\mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{aq})\right).


c. du thiosulfate de sodium (2Na+(aq);S2O32(aq))\left(2\:\mathrm{Na}^{+}(\mathrm{aq})\:;\:\mathrm{S}_{2} \mathrm{O}_{3}^{2-}(\mathrm{aq})\right) avec le diiode I2(s)\mathrm{I}_{2}(\mathrm{s}).


d. de l’acide nitrique (H+(aq);NO3(aq))\left(\mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})\:;\:\mathrm{NO}_{3}^{-}(\mathrm{aq})\right) avec le fer Fe(s)\mathrm{Fe}(\mathrm{s}).


e. du nitrate d’argent (Ag+(aq);NO3(aq))\left(\mathrm{Ag}^{+}(\mathrm{aq})\:;\:\mathrm{NO}_{3}^{-}(\mathrm{aq})\right) avec le cuivre Cu(s)\mathrm{Cu}(\mathrm{s}).


f. du permanganate de potassium (K+(aq);MnO4(aq))\left(\mathrm{K}^{+}(\mathrm{aq})\:;\:\mathrm{MnO}_{4}^{-}(\mathrm{aq})\right) avec le chlorure de fer II (Fe2+(aq);Cl(aq)).\left(\mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq})\:;\: \mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{aq})\right).


Données

  • Cu2+(aq)/Cu(s)\mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq}) / \mathrm{Cu}(\mathrm{s}) ;
  • Fe3+(aq)/Fe2+(aq)\mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq}) / \mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq}) ;
  • Br2(g)/Br(aq)\mathrm{Br}_{2}(\mathrm{g}) / \mathrm{Br}^{-}(\mathrm{aq}) ;
  • I2(s)/I(aq)\mathrm{I}_{2}(\mathrm{s}) / \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq}) ;
  • MnO4(aq)/Mn2+(aq)\mathrm{MnO}_{4}^{-}(\mathrm{aq}) / \mathrm{Mn}^{2+}(\mathrm{aq}) ;
  • S4O62(aq)/S2O32(aq)\mathrm{S}_{4} \mathrm{O}_{6}^{2-}(\mathrm{aq}) / \mathrm{S}_{2} \mathrm{O}_{3}^{2-}(\mathrm{aq}) ;
  • H+(aq)/H2(g)\mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) / \mathrm{H}_{2}(\mathrm{g}) ;
  • Ag+(aq)/Ag(s)\operatorname{Ag}^{+}(\mathrm{aq}) / \mathrm{Ag}(\mathrm{s}) ;
  • Fe2+(aq)/Fe(s)\mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq}) / \mathrm{Fe}(\mathrm{s}).
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12
Production d’aluminium

APP : Extraire l’information utile d'un texte

1. D'après les documents, écrire l’équation de la fusion de l’alumine.


2. Écrire les demi-équations des réactions qui se produisent en précisant le type de réaction.


3. Écrire l’équation bilan de la réaction.


4. Quelles masses d’aluminium et de dioxygène obtient-on avec une tonne d’alumine ?


5. Écrire l’équation bilan de la formation du dioxyde de carbone CO2(g)\mathrm{CO}_{2}(\mathrm{g}).


6. Quelle masse minimale de carbone est nécessaire pour réduire l’oxygène produit ?


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11
Comprendre la réaction du sodium avec l’eau

RAI/MOD : Modéliser une transformation chimique

Le sodium doit être stocké à l’abri de l’humidité (dans l'huile de paraffine). Lorsqu’un morceau de sodium Na(s)\mathrm{Na}(\mathrm{s}) est mis en contact avec de l’eau, une réaction violente se produit selon l’équation suivante :
2Na(s)+2H2O(l)2\:\mathrm{Na}(\mathrm{s})+2\:\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow 2Na+(aq)+2HO(aq)+H2(g).2\:\mathrm{Na}^{+}(\mathrm{aq})+2\:\mathrm{HO}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_{2}(\mathrm{g}).

1.
Écrire les deux couples redox en présence.


2. Déterminer les deux demi-équations mises en jeu.



Doc. 1
Le métal sodium

Le métal sodium

Doc. 2
Carrière de bauxite en Italie

Carrière de bauxite en Italie

Supplément numérique

Retrouvez une vidéo de la réaction du sodium dans l’eau.

Savoir-faire - Parcours d'apprentissage

Connaître la notion d’oxydant et de réducteur :
22

Équilibrer des demi-équations :
11
12
DIFF
21
22

Déterminer des couples redox :
11
18
25

Analyser et utiliser une réaction d’oxydoréduction pour faire des calculs ou des raisonnements :
12
DIFF
21
22

Une notion, trois exercices


DIFFÉRENCIATION
Savoir-faire : Équilibrer des demi-équations

Utiliser une réaction d’oxydoréduction pour un raisonnement


13
Oxydation des ions thiosulfate

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RAI/MOD : Modéliser une transformation chimique

Thiosulfate de sodium

Thiosulfate de sodium.


Le thiosulfate de sodium est utilisé pour de nombreux usages en médecine, il peut agir comme antidote contre un empoisonnement au cyanure.
On mélange une solution de thiosulfate de sodium (Na+(aq);S2O32(aq))\left(\mathrm{Na}^{+}(\mathrm{aq})\:;\: \mathrm{S}_{2} \mathrm{O}_{3}^{2-}(\mathrm{aq})\right) et une solution de diiode I2(aq)\text{I}_{2}(\text{aq}). La couleur brune du diiode disparaît. Les deux couples redox concernés sont :
S2O32(aq)/S4O62(aq)\mathrm{S}_{2} \mathrm{O}_{3}^{2-}(\mathrm{aq}) / \mathrm{S}_{4} \mathrm{O}_{6}^{2-}(\mathrm{aq}) et I2(aq)/I(aq).\mathrm{I}_{2}(\mathrm{aq}) / \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq}).

1. En déduire les deux demi-équations associées.


2. Quels sont les ions spectateurs de la réaction en jeu ?


3. Identifier les réactifs et les produits de cette réaction.


4. En déduire alors l’équation bilan de la réaction.


5. Pour une quantité de 1,00×1021\text{,}00\times 10^{-2} mol de I2\text{I}_{2} en solution, quelle quantité de (Na+(aq);S2O32(aq))\left(\mathrm{Na}^{+}(\mathrm{aq})\:;\: \mathrm{S}_{2} \mathrm{O}_{3}^{2-}(\mathrm{aq})\right) faut-il introduire pour que le mélange réactionnel soit dans les proportions stœchiométriques ?
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15
Oxydation du dioxyde de soufre (2)

RAI/MOD : Modéliser une transformation chimique

On mélange une solution de permanganate de potassium (K+(aq);MnO4(aq))\left(\mathrm{K}^{+}(\mathrm{aq})\:; \:\mathrm{MnO}_{4}^{-}(\mathrm{aq})\right) et une solution contenant du dioxyde de soufre dissous SO2(aq)\mathrm{SO}_{2}(\mathrm{aq}) en milieu acide.

1. Établir alors l’équation bilan de la réaction, les couples en jeu étantSO42(aq)/SO2(aq) et MnO4(aq)/Mn2+(aq). \mathrm{SO}_{4}^{2-}(\mathrm{aq}) / \mathrm{SO}_{2}(\mathrm{aq}) \text { et } \mathrm{MnO}_{4}(\mathrm{aq})/\mathrm{Mn}^{2+}(\mathrm{aq}).


2. Pour une quantité de 1,00×1031\text{,}00\times 10^{-3} mol de permanganate de potassium introduite, quelle est la quantité de dioxyde de soufre qu’il faut introduire pour que les réactifs soient dans les proportions stœchiométriques ?


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14
Oxydation du dioxyde de soufre (1)

RAI/MOD : Modéliser une transformation chimique

Un vin blanc commercial contient souvent du dioxyde de soufre SO2(aq)\mathrm{SO}_{2}(\mathrm{aq}), qui agit comme antioxydant et stabilisateur. On introduit goutte à goutte une solution de diiode I2(aq)\mathrm{I}_{2}(\mathrm{aq}) dans un bécher contenant un vin blanc.

1. Déterminer les demi-équations relatives à ces deux couples : SO42(aq)/SO2(aq)\mathrm{SO}_{4}^{2-}(\mathrm{aq}) / \mathrm{SO}_{2}(\mathrm{aq}) et I2(aq)/I(aq)\mathrm{I}_{2}(\mathrm{aq}) / \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq}).


2. Identifier les réactifs et les produits de cette réaction.


3. En déduire alors l’équation bilan de la réaction.


4. Pour une quantité de 1,00×1031\text{,}00\times 10^{-3} mol de diiode I2\text{I}_{2} ajoutée, quelle est la quantité de dioxyde de soufre SO2(aq)\mathrm{SO}_{2}(\mathrm{aq}) qu’il faut introduire pour que les réactifs soient dans les proportions stœchiométriques ?

Supplément numérique
Une notion, trois exercices


DIFFÉRENCIATION
Savoir-faire : Équilibrer des demi-équations

Utiliser une réaction d’oxydoréduction pour un raisonnement


A
Pile cuivre-fer

APP : Faire un brouillon comprenant un schéma, données et notions

On réalise un montage dans lequel une lame de fer et une lame de cuivre sont plongées dans le même bain de sulfate de cuivre II (Cu2+(aq);SO42(aq)\text{Cu}^{2+}\,_\text{(aq)} ; \text{SO}^{2-}_4\,_\text{(aq)}). On relie ces lames par un voltmètre. (voir figure ci-dessous).

Pile cuivre-fer

1. Reproduire le schéma de la pile et indiquer le sens conventionnel du courant.
Couleurs
Formes
Dessinez ici


2. Indiquer le sens de déplacement des électrons.

3. Quelle lame correspond à la borne positive ? et à la borne négative ?

4. La solution se décolore et la lame de cuivre augmente de volume alors que la lame de fer diminue de volume. Que peut-on en déduire de ces informations quant aux quantités de matière des espèces chimiques ?

5. Identifier l'oxydant et le réducteur.

6. Quelles sont les demi-équations électroniques au niveau des 2 lames métalliques ?


7. Quelle est l'équation bilan de fonctionnement de la pile ?

B
Pile cuivre-argent

APP : Faire un brouillon comprenant un schéma, données et notions

On considère la pile cuivre-argent suivante :

Pile cuivre-argent


1. Identifier les bornes de la pile.


2. Écrire les demi-équations bilan à chacune des bornes de la pile.


3. Quelles observations à propos de la solution et des lames métalliques pourriez-vous faire ?


4. Déterminer l'équation bilan de fonctionnement de la pile.

C
Pile cuivre-aluminium

APP : Faire un brouillon comprenant un schéma, données et notions

On plonge une lame d'aluminium et une lame de cuivre dans un bain de sulfate de cuivre. On relie les deux lames par une résistance, et on place un voltmètre à ses bornes.

1. Faire le schéma de la pile en indiquant la borne positive et la borne négative, ainsi que le sens du courant.
Couleurs
Formes
Dessinez ici


2. Expliquer le principe de son fonctionnement.


3.La pile fonctionnerait-elle en remplaçant le sulfate de cuivre par du sulfate d’aluminium ? Expliquer.

Pour commencer

Pour s'échauffer

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8
Demi-équations

Clous rouillés

Écrire la demi-équation d’oxydoréduction correspondant à chaque couple oxydant-réducteur en milieu aqueux.

a. Fe2+(aq)/Fe(s).\mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq}) / \mathrm{Fe}(\mathrm{s}).


b. Al3+(aq)/Al(s).\mathrm{Al}^{3+}(\mathrm{aq}) / \mathrm{Al}(\mathrm{s}).


c. MnO4(aq)/Mn2+(aq).\mathrm{MnO}_{4}^{-}(\mathrm{aq}) / \mathrm{Mn}^{2+}(\mathrm{aq}).


9
Équilibrer une équation redox

Équilibrer les équations suivantes.

a. Zn(s)+H+(aq)Zn2+(aq)+H2(g).\mathrm{Zn}(\mathrm{s})+\mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Zn}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_{2}(\mathrm{g}).


b. Fe2+(aq)+MnO4(aq)Fe3+(aq)+Mn2+(aq).\mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{MnO}_{4}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Mn}^{2+}(\mathrm{aq}).


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5
Espèces oxydée et réduite

Quelles sont les espèces oxydée et réduite dans la réaction suivante ?
2S2O32(aq)+I2(s)S4O62(aq)+2I(aq).2\:\mathrm{S}_{2} \mathrm{O}_{3}^{2-}(\mathrm{aq})+\mathrm{I}_{2}(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{S}_{4} \mathrm{O}_{6}^{2-}(\mathrm{aq})+2\:\mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq}).


6
Couple redox

Écrire les couples redox correspondant à l’équation d’oxydoréduction suivante :
2Al(s)+3Cu2+(aq)2Al3+(aq)+3Cu(s).2\:\mathrm{Al}(\mathrm{s})+3\:\mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightarrow 2\:\mathrm{Al}^{3+}(\mathrm{aq})+3\:\mathrm{Cu}(\mathrm{s}).


7
Oxydant et réducteur

Identifier l’oxydant et le réducteur dans la réaction :
2Br(aq)+Cl2(aq)Br2(aq)+2Cl(aq).2\:\mathrm{Br}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{Cl}_{2}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Br}_{2}(\mathrm{aq})+2\:\mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{aq}).


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