Correction du TP1 de Chimie

Correction du TP1 de Chimie : Grandeurs Physiques et bilan de matière
But du TP :
Le but du TP sera de déterminer à partir des conclusions expérimentales, l’équation bilan
de la réaction associée à la décomposition thermique de l’hydrogénocarbonate de sodium,
parmi les quatre équations proposées.
On rappelle les quatre équations bilan proposées :
2 NaHCO3(s)
2 NaOH(s) + H2O(g)
Na2O(s) + 2 O2(g) + 2 C(s) + H2O(g)
2 NaHCO3(s)
2 NaHCO3(s)
Na2O(s) + 2 CO2(g) + H2O(g)
2 NaHCO3(s)
Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g)
(1)
(2)
(3)
(4)
I) Analyse préliminaire :
1-1) A la simple lecture de ces equations, nous pouvons déjà constater que la première
est incorrecte. En effet celle-ci n’est pas équilibrée (des atomes d’oxygène et de
carbone disparaissent tandis que des atomes d’hydrogène se créent), et on peut donc
l’éliminer.
1-2) Pour réaliser expérimentalement une décomposition thermique, il suffit simplement
de chauffer le produit afin d’augmenter l’agitation thermique des atomes et donc de
favoriser la rupture des liaisons chimiques.
1-3) Liste des produits que nous savons caractériser :
Parmi les produits qui se forment dans les propositions d’équations bilans nous savons
caractériser :
Le carbone : fumée noire et dépôt de suie noire sur les parois du tube à essais.
L’eau : la vapeur d’eau formée se liquéfie sur les parois du tube et forment de la
« buée ».
Le dioxygène : ravive une bûchette incandescente
Le dioxyde de carbone : trouble l’eau de chaux
1-4) Protocole expérimental :
Introduire un peu d’hydrogénocarbonate de sodium solide dans un tube à essai. Et
chauffer ce tube à l’aide d’un bec électrique. Observer les parois du tube.
Puis introduire une buchette incandescente à l’extrémité du tube à essai et observer.
A l’aide d’un tube à dégagement et d’un bouchon, faire barboter le gaz s’échappant du
tube à essai lors du chauffage, dans un autre tube contenant de l’eau de chaux.
Observer.
Liste du matériel :
Deux tubes à essai
Un tube de dégagement muni d’un bouchon
bûchette
allumettes
spatule
Liste des produits :
Hydrogénocarbonate de sodium solide
Eau de chaux
Compte-rendu du TP1 de chimie : Décomposition de l’hydrogénocarbonate de sodium
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Schémas de l’expérience :
Tube à essais
bûchette
NaHCO3(s)
Bec
électrique
Précautions : Chauffage (attention aux brûlures)
II) Réalisation de l’expérience :
2-1) Observations de l’expérience :
- pas de dépôt noir ni de fumée noire → la réaction ne produit pas de carbone
- présence d’eau liquide sur les parois du tube → la réaction produit de l’eau
- la buchette incandescente n’est pas ravivée par le dégagement gazeux → La réaction
ne produit pas de dioxygène.
- le dégagement gazeux trouble l’eau de chaux → la réaction produit du dioxyde de
carbone.
A la vue de ces résultats expérimentaux, nous pouvons définitivement écarter l’équation
bilan n°2 puisque la réaction de décomposition ne produit ni carbone, ni dioxygène.
Il ne reste donc plus qu’à départager les deux équations (3) et (4).
2-2) Expérience quantitative :
On reproduit l’expérience de décomposition de 2,0g d’hydrogénocarbonate de sodium.
Une fois l’état final de la transformation atteint, on mesure la masse du produit solide
formé.
(remarque : pour s’assurer que l’état final est atteint, il faut peser régulièrement le tube
à essai jusqu’à ce que la masse reste constante).
Compte-rendu du TP1 de chimie : Décomposition de l’hydrogénocarbonate de sodium
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2-3) La détermination de la masse de produit formé, va nous permettre de calculer la
quantité de matière du produit solide formé lors de cette transformation. Ainsi en
utilisant un tableau d’avancement il nous sera possible de confronter nos résultats
expérimentaux aux résultats théoriques prévus par les équations bilans proposées, et
ainsi déterminer celle qui décrit réellement cette transformation.
Expérimentalement on trouve une masse expérimentale qui vaut :
mexp = 1,3 g
III) Exploitation des résultats expérimentaux :
3-1) Bilan de matière pour l’équation (3) :
Calculons la quantité de matière initiale en hydrogénocarbonate de sodium :
m NaHCO3
2,0
n NaHCO3 =
=
= 2,4.10 −2 mol
M NaHCO3 23,0 + 1,0 + 12,0 + 3 × 16,0
Etat du système
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final
2 NaHCO3(s)
2,4.10-2
2,4.10-2 - 2x
Na2O(s)
0
x
xmax
2,4.10-2 – 2xmax
A l’état final : 2,4.10-2 – 2xmax = 0
donc on en déduit
+ 2 CO2(g)
0
2x
2xmax
+ H2O(g)
0
x
xmax
xmax = 1,2.10-2 mol.
D’où le bilan de matière suivant à l’état final :
n NaHCO3 = 0 mol
n Na2O = xmax =1,2.10-2 mol
n CO2 = 2xmax = 2,4.10-2 mol
n H2O = xmax =1,2.10-2 mol
Bilan de matière pour l’équation (4) :
m NaHCO3
2,0
n NaHCO3 =
=
= 2,4.10 −2 mol
M NaHCO3 23,0 + 1,0 + 12,0 + 3 × 16,0
Etat du système
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final
2NaHCO3(s)
2,4.10-2
2,4.10-2 – 2x
Na2CO3(s)
0
x
xmax
2,4.10-2 – 2xmax
A l’état final : 2,4.10-2 – xmax = 0
donc on en déduit
+ CO2(g)
0
x
xmax
+ H2O(g)
0
x
xmax
xmax = 2,4.10-2 mol.
D’où le bilan de matière suivant :
n
n
n
n
= 0 mol
-2
mol
Na2CO3 = xmax = 1,2.10
-2
mol
CO2 = xmax = 1,2.10
-2
mol
H2O = xmax = 1,2.10
NaHCO3
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3-2) En déduire la masse théorique de produit solide formé dans chacune des deux
équations :
On a mth = n × M
Pour l’équation (3) on en déduit :
mth = nNa2O × M Na2O
mth = 1,2.10-2 × (2 × 23+16)
mth = 7,410-1 g
Pour l’équation (4) on en déduit :
mth = nNa2CO3 × M Na2CO3
mth = 1,2.10-2 × (2 × 23+12+3 × 16)
mth = 1,3 g
3-3) En comparant la valeur expérimentale trouvée (1,3g) aux valeurs théoriques
attendues, on en déduit que l’équation qui traduit correctement la décomposition
thermique de l’hydrogénocarbonate de sodium est l’équation (4) :
2 NaHCO3(s)
Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g)
IV) Mesure d’un volume gazeux :
4-1) Calculons le volume de dioxyde de carbone qui se forme lors de cette
transformation chimique :
On connaît désormais l’équation bilan de la décomposition de l’hydrogénocarbonate de
sodium : 2 NaHCO3(s)
Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g)
D’après le bilan de matière établi précédemment, on a à l’état final : nCO2 = 1,2.10-2 mol
On en déduit le volume de dioxyde de carbone dégagé par la réaction :
VCO2 = nCO2 × Vm
VCO2 = 1,2.10-2 × 24,0
VCO2 = 2,8.10-1 L = 288 mL
4-2) Expérience pour vérifier expérimentalement ce volume :
Pour vérifier expérimentalement ce volume de dioxyde de carbone dégagé, il faut
recueillir ce dégagement gazeux dans une éprouvette. Pour cela il faut réaliser un
montage par déplacement d’eau schématisé ci-dessous :
Liste de matériel :
Eprouvette graduée
Tube de dégagement muni d’un bouchon
Bec électrique
Cristallisoir
Tube à essai
NaHCO3(s)
Pince en bois
4-3) On réalise l’expérience avec une masse initiale de 1,0g en hydrogénocarbonate de
sodium.
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Selon le calcul réalisé à la question 4-1), si on réalise l’expérience avec une masse initiale
de 1,0g, on doit d’attendre à obtenir un volume de CO2 dégagé de 144 mL.
Expérimentalement, on obtient une valeur légèrement inférieure à celle-ci, et cela
s’explique par la solubilité du dioxyde de carbone dans l’eau. En effet, le CO2 est
légèrement soluble dans l’eau, et une petite partie du CO2 formé se dissout donc dans
l’eau.
Conclusion : La mesure du volume de CO2 dégagé par la réaction, permet également de
déterminer l’équation qui traduit réellement la décomposition de l’hydrogénocarbonate
de sodium.
Conclusion générale du TP :
Nous venons donc de démontrer que la mesure d’une grandeur physique (nous avons vu
l’exemple de la masse d’un solide et du volume d’un gaz) permet de valider la réaction
associée à une transformation.
Ceci démontre l’importance de la mesure de grandeurs physiques en chimie.
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