Modélisation des transformations de la matière

Exercices corrigés

1. Quelle est l'unité de l'avancement x d'une réaction ?

   • A.Le gramme (g)
   • B.Le litre (L)
   • C.Sans unité
   • D.La mole (mol)Bonne réponse

   Réponse : D — La mole (mol)

   L'avancement est une quantité de matière : il s'exprime en moles. C'est logique, puisqu'on l'ajoute ou le retranche à des quantités de matière dans le tableau (n0(A) − a·x doit être homogène à des moles). Si tu obtiens des grammes, c'est que tu as oublié de convertir une masse en quantité de matière avec n = m/M.

2. Qu'appelle-t-on le réactif limitant d'une transformation ?

   • A.Le réactif entièrement consommé à l'état final, qui bloque la réactionBonne réponse
   • B.Le réactif dont la masse initiale est la plus faible
   • C.Le réactif qui reste en plus grande quantité à la fin
   • D.Le réactif dont le nombre stœchiométrique est le plus grand

   Réponse : A — Le réactif entièrement consommé à l'état final, qui bloque la réaction

   Le réactif limitant est celui qui disparaît complètement en premier : dès qu'il n'y en a plus, la réaction ne peut plus avancer, ce qui fixe x max. Attention, ce n'est pas forcément celui dont la masse ou la quantité initiale est la plus faible : tout dépend des nombres stœchiométriques. Le réactif qui reste à la fin est au contraire le réactif en excès.

3. Selon Brønsted, un acide est une espèce chimique capable de :

   • A.capter un électron
   • B.capter un ion hydrogène H+
   • C.céder un ion hydrogène H+Bonne réponse
   • D.libérer un ion hydroxyde HO−

   Réponse : C — céder un ion hydrogène H+

   Dans le modèle de Brønsted, l'acide est le DONNEUR de proton H+, et la base l'accepteur. Capter un électron, c'est la définition d'un oxydant, on est alors en oxydoréduction, pas en acido-basicité. Et libérer HO− n'est pas la définition d'une base de Brønsted : une base capte H+, ce qui peut produire HO− quand elle réagit avec l'eau, mais c'est une conséquence, pas la définition.

4. On mélange 0,60 mol de H2 et 0,20 mol de O2 selon 2 H2 + O2 → 2 H2O. Que vaut x max ?

   • A.0,30 mol
   • B.0,20 molBonne réponse
   • C.0,60 mol
   • D.0,40 mol

   Réponse : B — 0,20 mol

   On écrit que chaque quantité reste positive. Pour H2 : 0,60 − 2x ≥ 0, donc x ≤ 0,30 mol. Pour O2 : 0,20 − x ≥ 0, donc x ≤ 0,20 mol. x max est la PLUS PETITE des deux valeurs : x max = 0,20 mol, imposée par O2 qui est le réactif limitant. Répondre 0,30 mol, c'est retenir la contrainte du réactif en excès, ce qui rendrait la quantité de O2 négative : impossible.

5. Même mélange : 0,60 mol de H2 et 0,20 mol de O2 selon 2 H2 + O2 → 2 H2O. Quelle quantité de H2 reste-t-il à l'état final ?

   • A.0 mol
   • B.0,40 mol
   • C.0,20 molBonne réponse
   • D.0,60 mol

   Réponse : C — 0,20 mol

   On a trouvé x max = 0,20 mol (O2 limitant). La quantité finale de H2 vaut n0(H2) − 2 × x max = 0,60 − 2 × 0,20 = 0,60 − 0,40 = 0,20 mol. Il reste donc 0,20 mol de dihydrogène : c'est le réactif en excès. Répondre 0 mol, c'est confondre H2 avec le réactif limitant ; répondre 0,40 mol, c'est oublier de multiplier x max par le nombre stœchiométrique 2.

6. Quelle est la base conjuguée de l'acide éthanoïque CH3COOH ?

   • A.CH3COOH2+
   • B.CH3CHO
   • C.CH3COO−Bonne réponse
   • D.CH3COOH−

   Réponse : C — CH3COO−

   La base conjuguée s'obtient en RETIRANT un ion H+ à l'acide : CH3COOH perd un H+ et devient CH3COO−, l'ion éthanoate. On perd un hydrogène ET on gagne une charge négative (car on enlève une charge positive). CH3COOH2+ serait l'acide conjugué de CH3COOH ; CH3COOH− est incohérent, car on a enlevé la charge sans enlever l'atome d'hydrogène.

7. Quelle espèce est amphotère (c'est-à-dire à la fois acide d'un couple et base d'un autre) ?

   • A.H2OBonne réponse
   • B.HCl
   • C.NH4+
   • D.HO−

   Réponse : A — H2O

   L'eau appartient à deux couples : elle est la base du couple H3O+/H2O (elle peut capter un H+ pour devenir H3O+) et l'acide du couple H2O/HO− (elle peut céder un H+ pour devenir HO−). Elle est donc amphotère. HCl ne peut que céder un proton, NH4+ non plus ne peut que le céder, et HO− ne peut que le capter : ces trois espèces n'appartiennent chacune qu'à un seul couple dans le programme.

8. Pour la réaction N2 + 3 H2 → 2 NH3, quelle condition traduit un mélange stœchiométrique ?

   • A.n0(N2) = n0(H2)
   • B.n0(N2) = 3 × n0(H2)
   • C.n0(H2) = 3 × n0(N2)Bonne réponse
   • D.n0(N2) + n0(H2) = 4

   Réponse : C — n0(H2) = 3 × n0(N2)

   Un mélange est stœchiométrique quand les rapports n0 divisés par les nombres stœchiométriques sont égaux : n0(N2)/1 = n0(H2)/3, ce qui donne n0(H2) = 3 × n0(N2). Autrement dit, il faut trois fois plus de dihydrogène que de diazote, ce que dit directement l'équation. La proposition 2 inverse le rapport, et la dernière n'a aucun sens physique (une somme de moles ne peut pas égaler un nombre stœchiométrique).

9. On chauffe 5,6 g de fer avec 6,4 g de soufre selon Fe + S → FeS. Données : M(Fe) = 56 g/mol, M(S) = 32 g/mol, M(FeS) = 88 g/mol. Quelle masse de sulfure de fer FeS obtient-on ?

   • A.12,0 g
   • B.8,8 gBonne réponse
   • C.17,6 g
   • D.6,4 g

   Réponse : B — 8,8 g

   On convertit d'abord : n(Fe) = 5,6/56 = 0,10 mol et n(S) = 6,4/32 = 0,20 mol. Les nombres stœchiométriques valant tous 1, on compare directement : 0,10 < 0,20, donc le fer est limitant et x max = 0,10 mol. Alors n(FeS) = x max = 0,10 mol, soit m = 0,10 × 88 = 8,8 g. Répondre 12,0 g, c'est additionner bêtement les masses des réactifs sans voir qu'il reste 0,10 mol de soufre (soit 3,2 g) non consommé.

10. On verse 200 mL d'acide chlorhydrique à 1,0 mol/L sur 5,0 g de carbonate de calcium CaCO3, selon CaCO3 + 2 H3O+ → Ca2+ + CO2 + 3 H2O. Données : M(CaCO3) = 100 g/mol, Vm = 24 L/mol. Quel volume de CO2 se dégage ?

    • A.2,4 L
    • B.4,8 L
    • C.1,2 LBonne réponse
    • D.0,6 L

    Réponse : C — 1,2 L

    Quantités initiales : n(CaCO3) = 5,0/100 = 0,050 mol et n(H3O+) = c × V = 1,0 × 0,200 = 0,20 mol. Rapports : 0,050/1 = 0,050 pour le carbonate, 0,20/2 = 0,10 pour l'acide. Le plus petit est 0,050 : CaCO3 est limitant et x max = 0,050 mol. Comme le CO2 a un nombre stœchiométrique de 1, n(CO2) = 0,050 mol, d'où V = n × Vm = 0,050 × 24 = 1,2 L. Répondre 2,4 L, c'est prendre l'acide pour limitant (0,10 mol) alors qu'il est en excès.

11. Réaction 2 Al + 3 Cl2 → 2 AlCl3. On introduit 0,40 mol d'aluminium et 0,90 mol de dichlore. Quelle quantité d'AlCl3 se forme ?

    • A.0,60 mol
    • B.0,40 molBonne réponse
    • C.0,90 mol
    • D.0,20 mol

    Réponse : B — 0,40 mol

    Rapports : pour Al, 0,40/2 = 0,20 ; pour Cl2, 0,90/3 = 0,30. Le plus petit est 0,20, donc l'aluminium est limitant et x max = 0,20 mol. La quantité d'AlCl3 formée vaut 2 × x max = 2 × 0,20 = 0,40 mol. Répondre 0,20 mol, c'est donner x max sans le multiplier par le nombre stœchiométrique 2 du produit : une erreur très fréquente, pense toujours à relire la dernière ligne de ton tableau.

12. Dans la réaction CH3COOH + HO− → CH3COO− + H2O, quels sont les deux couples acide/base mis en jeu ?

    • A.CH3COOH/CH3COO− et H3O+/H2O
    • B.CH3COO−/CH3COOH et HO−/H2O
    • C.CH3COOH/CH3COO− et H2O/HO−Bonne réponse
    • D.CH3COOH/H2O et HO−/CH3COO−

    Réponse : C — CH3COOH/CH3COO− et H2O/HO−

    L'acide éthanoïque cède un H+ et devient l'ion éthanoate : premier couple CH3COOH/CH3COO−. L'ion hydroxyde capte ce H+ et devient de l'eau : le couple concerné est H2O/HO−, car dans un couple on écrit toujours l'ACIDE en premier, et ici l'acide est H2O. C'est ce qui élimine la deuxième proposition, correcte sur le fond mais mal écrite. Un couple associe toujours une espèce et sa conjuguée, jamais deux espèces de réactions différentes comme dans la dernière option.