Etude d’un équilibre chimique par conductimétrie


Objectifs.
Etudier une réaction d’un acide avec l’eau.
Par la conductimétrie, déterminer le taux d’avancement final τ  et le quotient de réaction à l’équilibre Qr,éq.
Déterminer les facteurs dont dépendent ces grandeurs.


1. Expression de τau et de Qr,eq en fonction de [H3O+]eq

On dispose de V litres de solution aqueuse d'un acide HA de concentration molaire c. La réaction de cet acide HA sur l'eau n'est pas totale

Dresser un tableau d’évolution des espèces chimiques au cours de la transformation chimique de HA dans l’eau. On appellera x l’avancement de réaction et xf l’avancement final.

Ajouter une ligne au tableau en considérant la réaction comme totale. Dans cette hypothèse, exprimer l'avancement maximal xmax en  fonction de c et V.

   HA(aq)  + H2O = H3O+(aq)+ A-(aq)
E. initial x = 0 c V / 0 0
en cours x c V - x /  x  x
E.final xf c V - xf / xf xf
si la réaction est totale xmax c V - xmax / xmax xmax

Exprimer le taux d’avancement final τ (τ = xf/xmax en fonction de la concentration finale [H3O+]eq et de c.


Exprimer le quotient de réaction Qr,eq à l’équilibre, en fonction de [H3O+]eq et de c.


2. Conductimètre

2.1 Rappels sur la conductimétrie

On rappelle les relations utilisées en conductimétrie.

G = I / U            G = σ × S / L                 σ =Σ( (λi x [ Xi ] )                 Kcell  = L / S  



2.2 Etalonnage:

Plonger la cellule conductimétrique dans une solution de chlorure de potassium de concentration molaire connue précisément .
Mesurer précisément la température de cette solution.

Etalonner la cellule selon le mode d’emploi. 

Attention : L’appareil mesure directement la conductivité σ en mS.cm-1 ou µS.cm-1


3. Etude de solutions d’acides de concentration différente

3.1 Partie théorique

Exprimer la conductivité σHA de la solution HA, en fonction des conductivités molaires ioniques λA-  et  λH3O+ des ions présents et de [ H3O+]eq.

En déduire [ H3O+]eq en fonction de σHA , de λA- et de λH3O+.

 

3.2 Mesures

Acide éthanoïque


C (mol.L-1) σHA (S.m-1) [H3O+]eq (mol.L-1) τ (%) Qr,eq
1,00x10-3 5,08 × 10-3 1,3 × 10-4 13% 1,9× 10-5
5,00x10-3 1,22 × 10-3 3,1 × 10-4 6,2% 2,0× 10-5
10,00x10-3 1,76 × 10-3 4,5 × 10-4 4,5% 2,0× 10-5

 

Acide benzoïque


C (mol.L-1) σHA (S.m-1) [H3O+]eq (mol.L-1) τ (%) Qr,eq
1,00x10-3 9,27 × 10-3 2,4 × 10-4 24% 7,7× 10-5
5,00x10-3 2,16 × 10-2 5,6 × 10-4 11% 7,2× 10-5
10,00x10-3 3,1 × 10-2 8,1 × 10-4 8% 7,2× 10-5

4.Questions et conclusions

Pour une réaction donnée, le taux d’avancement final τ dépend des conditions initiales ; comment varie τ  lorsque la concentration initiale c diminue ? (ce qui revient à faire une dilution)

D'après les résultats, lorsque la concentration diminue, τ augmente ( = l'acide est plus dissocié lorsqu'il est dilué)

Pour une réaction chimique donnée et à température donnée, le quotient de réaction Qr,eq est une constante indépendante des conditions initiales. Vérifier que cette affirmation est vérifiée pour la réaction étudiée.

D'après les résultats, on voit que pour chaque acide,  Qr,eq  est sensiblement constant ( quelle que soit la concentration initiale de l'acide!). 
Qr,eq est une constante qui caractérise un acide donné.
( en théorie : acide éthanoïque : Qr,eq = 1,8 × 10-5   

                    acide benzoïque Qr,eq = 6,3× 10-5 )

 

Données :

Conductivités molaires ioniques à 25° C :

Ion

Chlorure

λ (Cl-) =7,63 x 10-3 S.m2.mol-1

Potassium

λ (K+) =7,35 x 10-3 S.m2.mol-1

Oxonium

λ (H3O+) = 35,0 x 10-3 S.m2.mol-1

Éthanoate

λ (CH3COO-)  = 4,09 x 10-3 S.m2.mol-1

Benzoate

λ (C6H5COO-)  = 3,24 x 10-3 S.m2.mol-1