Notion de stoechiométrie d’une réaction chimique Niveau : Durée Prérequis :
Objectifs :
Méthode : matériels :
Produits
Mots clés :
1h Réaction de précipitation entre le sulfate de cuivre et la solution de soude Calcul des nombres de moles à partir d’une concentration et du voluma d’une solution (Au cas où les élèves ne sauraient pas encore trouver le nombre de moles à partir de la concentration et du volume de la solution, le professeur le fera lui-même) Montrer qu’au cours d’une réaction chimique, les réactifs réagissent dans des proportions bien déterminées (c’est à dire les proportions stoechiométriques) par groupes : 2 béchers de 100 mL 1 entonnoir + support + papier filtre 1 pipette de 5 mL tubes à essai et support Un flacon de 100 mL contenant de la solution de soude (dans la cas où le produit est insuffisant, on peut employer un seul flacon pour toute la classe) de concentration c’ = 4. 10-1 mol.L-1 1L de solution de sulfate de cuivre de concentration c = 10-1 mol.L-1. (Pour la préparation, ne pas oublier que le sulfate de cuivre solide est hydraté avec 5 molécules d’eau CuSO4, 5H2O) Stoechiométrie, précipité, filtrat, proportions stoechiométriques, conditions stoechiométriques, excès, défaut
Déroulement: Activités des élèves
Activités du professeur Le professeur met les élèves en groupes (il faut au moins 8 groupes d’élèves pour réaliser cette expérience) Le professeur donne les matériels et les produits nécessaire pour l’expérience. Le professeur demande : à tous les groupes de prendre 50 ml de solution de soude dans la solution de sulfate de cuivre au 1er groupe : de verser 5 mL de solution de soude dans la solution de sulfate de cuivre au 2ème groupe : de verser 10 mL de la solution de soude dans la solution de sulfate de cuivre … au groupe n° n de verser 5×n mL de la solution de soude dans la solution de
les élèves se mettent en groupe
solution de soude
solution de sulfate de cuivre
- 81 -
Le professeur demande à chaque groupe d’apporter son bécher au bureau près du numéro correspondant au numéro du groupe Le professeur demande aux élèves d’observer le résultat de chaque groupe La quantité de précipité augmente du premier au nieme groupe Le professeur demande aux élèves quelle est la réaction correspondante Le professeur demande aux élèves de filtrer le produit obtenu
Cu2+ + OH– → Cu(OH)2
Chaque groupe reprend son bécher et retourne à sa place pour faire la filtration
mélange
filtrat
La couleur du filtrat devient de plus en plus pâle et disparaît à partir du groupe numéro 5.
Le professeur demande aux élèves d’apporter le filtrat au bureau pour comparer. Etude du filtrat : Le professeur demande aux élèves de partager leur filtrat en deux tubes A et B : Verser dans le tube A 5mL de soude (avec une seringue rincée à l’eau distillée) et dans le tube B 1mL de solution de sulfate de cuivre(II) . Apporter les deux tubes au bureau et placer les tubes A d’un coté et les tubes B de l’autre coté en respectant les numéros successifs
- 82 -
1 2
3
4 5 …
1 2
3 4
Que voyez-vous dans les tubes A ?
Que voyez-vous dans les tubes B?
Il y a des précipités dans les tubes A de 1 jusquà 4 et à partir de 5, il ny a pas de précipité et la quantité de précipité diminue de 1 à 4. Les précipités apparaissent à partir du tube numéro 6 et la quantité de précipité augmente
Pourquoi apparaît-il un précipité dans les tubes A jusqu’à 4 quand on ajoute de la soude ?
Il reste encore des ions Cu2+ dans le filtrat.
Pourquoi n’y a-t-il pas de précipité dans les tubes A à partir du numéro 5
Il ne reste plus d’ ions Cu2+ dans le filtrat
Pourquoi n’y a-t-il pas de précipité dans les tubes B du numéro 1 jusqu’à 5 quand on ajoute du sulfate de cuivre ?
Il ne reste plus d’ ions OH- dans le filtrat
Pourquoi apparaît-il un précipité dans les tubes B du numéro 6 au numéro n quand on ajoute de la solution de sulfate de cuivre
Il reste encore des ions OH- dans le filtrat
Le professeur présente le tableau de
Les élèves font le tableau dans leur
Milieu réactionnel
1
50
5
2
50
10
3
50
15
4
50
20
5
50
25
6
50
30
7
50
35
8
50
40
Quantité de précipité
Tubes B Tubes A + Conclusion sur aspect du + Sulfate le milieu filtrat soude de cuivre réactionnel II coloration bleu d’intensité décroissante
volume de solution de soude en mL
i n co l o r
volume Group de solution e de sulfate de cuivreII
- 83 -
Excés d’ions Cu2+
conditions stoechiométriqu es Excés d’ions OH-
Conclusion : tous les réactifs utilisés par le groupe 5 ont été consommés: il n’en reste aucun. On se trouve dans les proportions stoechiométriques Le professeur demande à chaque groupe de nettoyer et de ranger le matériel
- 84 -
Notion quantitative de stoechiométrie d’une réaction Activités du professeur
Activités des élèves
En prenant les données dans les conditions stoechiométriques de l’expérience ci dessus: (Cu2+, SO42-) c = 10-1 mol.L-1 , v = 50mL (Na+, OH-) c’ = 0,4 mol.L-1 , v’ = 25mL Calculez le nombre de mole d’ions cuivre (II) présents nCu2+
nCu2+ = c×v -3 -3 nCu2+ = 10-150.10 50.10-3==510 510-3mol mol
Calculez le nombre de mole d’ions hydroxyde versés nOH-
nOH– versés = c’ × v’ nOH– versés = 0;4 ×25.10-3 =10-2 mol
Comparez le nombre demole d’ions Cu2+ et celui des ions hydroxyde OH– versés
nCu2+ =nOH– versés
Ecrivez l’équation biman de la réaction entre les ions cuivre(II) et les ions hydroxyde . Pouquoi dans les conditions où nOH- = 2nCu2+, tous les réactifs sont-ils consommés ?
Cu2+ + OH– → Cu(OH)2
Ce sont les proportions indiquées par l’équation bilan de la réaction chimique
Le professeur tire la conclusion: Dans ce cas, on dit qu’on est dans les conditions stoechiométriques Envisageons deux cas où nous ne sommes pas dans les conditions stoechiométriques Cas du bécher numéro 1 Calculez le nombre de mole d’ions cuivre (II) dans le filtrat du bécher numéro 1 cCuSO4 = 10-1 mol.L-1 , vCuSO4 = 50mL c’NaOH = 0,4 mol.L-1 , v’NaOH = 5mL
Quand vous versez de la solution de soude dans le tube A du numéro 1, que se passet-il ?
nOH– versés = cNaOH × vNaOH nOH– versés = 0,4 ×5.10-3 = 2.10-3 cCuSO4× vCuSO4 nCu2+ initial =10-1 ×50.10-3 = 5.10-3mol D’après l’équation bilan de la réaction : nOH– réagi = 2nCu2+ réagi nCu2+ réagi = nOH– réagi /2 nCu2+ réagi =2.10-3/2 = 10-3 mol Le nombre de mole d’ions Cu2+ restant dans le filtrat est 5.10-3 – 10-3 = 4.10-3 mol. Les ions OH– réagissent avec les ions Cu2+ restant pour former un précipité bleu d’hydroxyde de cuivre(II) Cu(OH)2 - 85 -
Cas du bécher numéro 6 Calculez le nombre de mole d’ions hydroxyde OH– dans le bécher numéro 6 cCuSO4 = 10-1 mol.L-1 , vCuSO4 = 50mL c’NaOH = 0,4 mol.L-1 , v’NaOH = 30mL
Quand vous versez de la solution de sulfate de cuivre(II) dans le tube B du numéro 6, que se passe-t-il ? Le professeur peut vérifier pour les autres béchers ou demander aux élèves de vérifier comme exercice d’application
nOH– versés = c’NaOH × v’NaOH nOH– versés = 0,4 ×30.10-3 nOH– versés = 12.10-3 mol D’après l’équation bilan de la réaction : nOH– réagi = 2nCu2+ réagi nOH– réagi =2 5.10-3 = 10.10-3 mol Le nombre de mole d’ions hydroxyde OHrestant dans le bécher numéro 6 est 12.10-3 – 10.10-3 = 2.10-3 mol. Les ions cuivre(II) Cu2+ réagissent avec les ions hydroxyde OH- restant dans le tube pour former un précipité bleu d’hydroxyde de cuivre(II) Cu(OH)2
- 86 -
EXERCICES 1
On verse une solution de sulfate de cuivre(II) dans un bécher contenant 20 mL de solution de soude de concentration 2 mol.L-1. Calculer le volume de la solution de sulfate de cuivre versée pour qu’on ait les conditions stoechiométriques sachant que la concentration de la solution de sulfate de cuivre est de 10-1molL-1 Le professeur demande à un élève d’aller corriger l’exercice au tableau. Dans le cas où l’élève ne pourrait pas trouver la solution, le professeur l’aiderait en lui demandant de calculer d’abord le nombre de moles d’ions hydroxydes présents dans la solution de soude, d’écrire la réaction entre les ions cuivre(II) et les ions hydroxyde, d’en déduire une relations entre les quantités de matière d’ions Cu2+ et d’ions OH– qui réagissent , enfin de calculer le volume de la solution de sulfate de cuivre à verser.
2
On veut brûler 2,28 g d’octane de formule C8H18 dans le dioxygène de l’air. Calculer le volume d’air nécessaire à la combustion complète de l’octane.
REPONSES 1 L’équation bilan de la réaction : Cu + OH– → Cu(OH)2
2
2+
nombre de mole d’ion hydroxyde OH– dans la solution de soude : nOH– = cNaOH × vNaOH nOH– = 2 ×20.10-3 nOH– versés = 4.10-2 mol nombre de mole d’ion Cu2+ à verser : nCu2+ D’après l’équation bilan de la réaction nCu2+ réagi= ½nOH– réagi nCu2+ =4.10-2 / 2 = 2.10-2 mol dissolution du sulfate de cuivre : CuSO4 disout → Cu2+ aq + SO42– aq 1mol 1 mol 1 mol nCuSO4 dissout = nCu2+ = 2 . 10-2 mol volume de la solution de sulfate de cuivre à verser : cCuSO4 = nCuSO4 dissout / vCuSO4 vCuSO4 = nCuSO4 dissout / cCuSO4 vCuSO4 = 2.10-2/10-1 = 2.10-1 L vCuSO4 = 200 mL
- 87 -
volume d’air : 28 L
