Terminale · Spécialité Physique-Chimie

Évaluation blanche n°2 — Chapitres 1, 2 et 3

Titrage pH-métrique et conductimétrique, étalonnage conductimétrique et spectroscopie infrarouge : lecture et tracé de courbes.

01:00:00
Durée : 1 h
Calculatrice : autorisée
Barème : 4 exercices × 5 pts = / 20
Exercices : indépendants
✍️ Consigne : rédige tes réponses sur une feuille de copie en indiquant clairement le numéro de l’exercice et de la question. Les annexes (quadrillages) sont à imprimer, ou à reproduire sur papier millimétré, puis à rendre avec ta copie. La correction d’un exercice ne s’ouvre qu’à l’heure indiquée : n’y accède pas avant d’avoir terminé.

Répartition conseillée du temps (durée estimée par exercice, indiquée aussi à côté de chaque question) :

ExerciceDurée conseilléeCorrection débloquée après
Exercice 117 min0 h 17
Exercice 213 min0 h 30
Exercice 313 min0 h 43
Exercice 417 min1 h 00

Les annexes sont à compléter au crayon et à rendre avec la copie. Toute réponse doit être justifiée ; les résultats numériques sont donnés avec leur unité et un nombre de chiffres significatifs adapté.

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Exercice 1 — Titrage de l’ammoniac d’un nettoyant ménagerChapitre 3Chapitre 1⏱ 17 min5 points

Un nettoyant ménager contient de l’ammoniac \(\text{NH}_3\). Après une dilution par 20, on obtient une solution \(S\). On titre \(V_B = 20{,}0\ \text{mL}\) de \(S\) (le titré) par une solution d’acide chlorhydrique (le titrant) de concentration \(C_A = 0{,}100\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\), avec un suivi pH-métrique (figure 1 ; valeurs au voisinage de l’équivalence dans le tableau).

Données : couple \(\text{NH}_4^+/\text{NH}_3\), \(\text{p}K_A = 9{,}2\) (valeur tabulée) ; produit ionique de l’eau \(K_e = 10^{-14}\) à \(25\ ^\circ\text{C}\).
05101520253002468101214Volume d’acide chlorhydrique versé V (mL)pH
Figure 1 — Courbe de titrage \(\text{pH} = f(V)\)
V (mL)16,016,517,017,518,018,519,019,520,0
pH8,308,167,977,665,262,892,592,422,30
Indicateur coloréTeintesZone de virage
rouge de méthylerouge → jaune4,2 – 6,2
bleu de bromothymoljaune → bleu6,0 – 7,6
phénolphtaléineincolore → rose8,2 – 10,0
  1. Écrire l’équation de la réaction support du titrage.0,5 pt · 1 min
  2. Compléter les trois cases « à calculer » du tableau de l’annexe 1, puis tracer \(\dfrac{\Delta\text{pH}}{\Delta V}=f(V_m)\). En déduire le volume équivalent \(V_E\).1,5 pts · 7 min
  3. Calculer la concentration \(C_B\) de \(S\), puis celle du nettoyant ménager.0,75 pt · 3 min
  4. Le pH initial lu sur la courbe est \(\text{pH}_0 \approx 11{,}1\). Calculer \([\text{HO}^-]_0\) puis comparer à \(C_B\) pour montrer que l’ammoniac est une base faible.1 pt · 3 min
  5. Déterminer graphiquement le \(\text{p}K_A\) du couple à partir de la courbe et le comparer à la valeur tabulée.0,75 pt · 2 min
  6. Lire le \(\text{pH}_E\) à l’équivalence et choisir, en justifiant, l’indicateur coloré adapté.0,5 pt · 1 min
1617181920−6−5−4−3−2−10Volume Vₘ (mL)ΔpH / ΔV (mL⁻¹)
Annexe 1 — Tracé de \(\Delta\text{pH}/\Delta V\) en fonction de \(V_m\) (à rendre avec la copie)

Tableau des variations de pH (à compléter)

Intervalle (mL)Vm (mL)ΔpH / ΔV (mL⁻¹)
16,0 – 16,516,25−0,3
16,5 – 17,016,75−0,4
17,0 – 17,517,25à calculer
17,5 – 18,017,75à calculer
18,0 – 18,518,25à calculer
18,5 – 19,018,75−0,6
19,0 – 19,519,25−0,3
19,5 – 20,019,75−0,2

1. \(\text{H}_3\text{O}^+\text{(aq)}\) + \(\text{NH}_3\text{(aq)}\) \(\rightarrow \text{NH}_4^+\text{(aq)} + \text{H}_2\text{O}(\ell)\) : réaction acide-base rapide et totale.

2. Calculs : \(\dfrac{7{,}66-7{,}97}{0{,}5} = -0{,}6\) (pour \(V_m = 17{,}25\)) ; \(\dfrac{5{,}26-7{,}66}{0{,}5} = -4{,}8\) (\(V_m = 17{,}75\)) ; \(\dfrac{2{,}89-5{,}26}{0{,}5} = -4{,}7\) (\(V_m = 18{,}25\)).
L’équivalence correspond à l’extremum de \(\dfrac{\Delta\text{pH}}{\Delta V}\) : il est situé entre \(17{,}75\) et \(18{,}25\ \text{mL}\) (valeurs presque égales), donc \(V_E = 18{,}0\ \text{mL}\).

1617181920−6−5−4−3−2−10Volume Vₘ (mL)ΔpH / ΔV (mL⁻¹)Vₑ = 18,0 mL
Annexe 1 corrigée — courbe dérivée et extremum

3. \(C_B V_B = C_A V_E\) donc \(C_B = \dfrac{C_A V_E}{V_B} = \dfrac{0{,}100\times18{,}0}{20{,}0} = 9{,}00\times10^{-2}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\). Le nettoyant, dilué 20 fois, a pour concentration \(20\,C_B = 1{,}80\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\).

4. \([\text{HO}^-]_0 = \dfrac{K_e}{[\text{H}_3\text{O}^+]} = \dfrac{10^{-14}}{10^{-11{,}1}} = 10^{-2{,}9} = 1{,}3\times10^{-3}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\). Si \(\text{NH}_3\) réagissait totalement avec l’eau, on aurait \([\text{HO}^-] = C_B = 9{,}0\times10^{-2}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\). Ici \(\tau = \dfrac{1{,}3\times10^{-3}}{9{,}0\times10^{-2}} \approx 1{,}4\ \% \ll 100\ \%\) : réaction limitée, \(\text{NH}_3\) est une base faible.

5. À la demi-équivalence \(V = V_E/2 = 9{,}0\ \text{mL}\) : \([\text{NH}_4^+] = [\text{NH}_3]\) donc \(\text{pH} = \text{p}K_A\). On lit \(\text{pH} \approx 9{,}2\), en accord avec la valeur tabulée \(9{,}2\).

6. À \(V_E = 18{,}0\ \text{mL}\), \(\text{pH}_E \approx 5{,}3\) (acide, car \(\text{NH}_4^+\) est un acide faible). Il faut une zone de virage contenant 5,3 : le rouge de méthyle (4,2 – 6,2).

Exercice 2 — Contrôle d’un sérum physiologique par conductimétrieChapitre 2⏱ 13 min5 points

Un sérum physiologique est une solution de chlorure de sodium étiquetée « 9,0 g·L⁻¹ ». On le dilue 100 fois (\(1{,}0\ \text{mL}\) complétés à \(100{,}0\ \text{mL}\)) pour obtenir une solution \(S'\) dont la conductivité vaut \(\sigma' = 19{,}8\ \text{mS}\cdot\text{m}^{-1}\). On dispose de solutions étalons de chlorure de sodium :

C (mmol·L⁻¹)0,501,001,502,002,50
σ (mS·m⁻¹)6,312,518,925,231,4
Données : \(M(\text{NaCl}) = 58{,}5\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}\) ; conductivités molaires ioniques à \(25\ ^\circ\text{C}\) : \(\lambda(\text{Na}^+) = 5{,}01\ \text{mS}\cdot\text{m}^2\cdot\text{mol}^{-1}\), \(\lambda(\text{Cl}^-) = 7{,}63\ \text{mS}\cdot\text{m}^2\cdot\text{mol}^{-1}\) ; \(1\ \text{mmol}\cdot\text{L}^{-1} = 1\ \text{mol}\cdot\text{m}^{-3}\).
  1. Rappeler la loi de Kohlrausch et exprimer \(\sigma\) pour une solution de \(\text{NaCl}\) de concentration \(C\). Pourquoi \(\sigma\) est-elle proportionnelle à \(C\) pour des solutions suffisamment diluées ?0,75 pt · 2 min
  2. Tracer sur l’annexe 2 les points \((C\,;\sigma)\) et la droite d’étalonnage passant par l’origine.1,25 pts · 4 min
  3. Déterminer le coefficient directeur \(k\) de la droite et le comparer à \(\lambda(\text{Na}^+)+\lambda(\text{Cl}^-)\).1 pt · 2 min
  4. Déterminer graphiquement la concentration \(C'\) de \(S'\), puis la concentration \(C\) et la concentration en masse \(t\) du sérum.1,25 pts · 3 min
  5. Calculer l’écart relatif avec l’indication du fabricant et conclure.0,75 pt · 2 min
0,00,51,01,52,02,53,00510152025303540Concentration C (mmol·L⁻¹)Conductivité σ (mS·m⁻¹)
Annexe 2 — Droite d’étalonnage \(\sigma = f(C)\) (à compléter et à rendre avec la copie)

1. Loi de Kohlrausch : \(\sigma = \sum_i \lambda_i\,[X_i]\). Pour \(\text{NaCl}\) : \(\sigma = \lambda(\text{Na}^+)[\text{Na}^+] + \lambda(\text{Cl}^-)[\text{Cl}^-] = \left[\lambda(\text{Na}^+)+\lambda(\text{Cl}^-)\right] C\). Pour des solutions diluées, les \(\lambda_i\) sont constantes (ions peu en interaction) : \(\sigma\) est proportionnelle à \(C\).

2. Les points sont alignés avec l’origine (droite en bleu sur l’annexe 2 corrigée).

0,00,51,01,52,02,53,00510152025303540Concentration C (mmol·L⁻¹)Conductivité σ (mS·m⁻¹)σ = 19,8 mS·m⁻¹C′ ≈ 1,57 mmol·L⁻¹
Annexe 2 corrigée — droite d’étalonnage et lecture de C′

3. \(k = \dfrac{\Delta\sigma}{\Delta C} = \dfrac{31{,}4}{2{,}50} \approx 12{,}6\ \text{mS}\cdot\text{m}^{-1}/(\text{mmol}\cdot\text{L}^{-1}) = 12{,}6\ \text{mS}\cdot\text{m}^2\cdot\text{mol}^{-1}\). Valeur théorique : \(5{,}01+7{,}63 = 12{,}64\ \text{mS}\cdot\text{m}^2\cdot\text{mol}^{-1}\) : excellent accord.

4. \(C' = \dfrac{\sigma'}{k} = \dfrac{19{,}8}{12{,}6} = 1{,}57\ \text{mmol}\cdot\text{L}^{-1}\) (lecture graphique). Dilution par 100 : \(C = 100\,C' = 157\ \text{mmol}\cdot\text{L}^{-1} = 0{,}157\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\). Puis \(t = C\,M = 0{,}157\times58{,}5 = 9{,}2\ \text{g}\cdot\text{L}^{-1}\).

5. Écart relatif \(= \dfrac{|9{,}2-9{,}0|}{9{,}0} \approx 2\ \%\) : la valeur mesurée est compatible avec l’indication du fabricant, aux incertitudes de mesure près.

Exercice 3 — Synthèse de l’arôme de bananeChapitre 2⏱ 13 min5 points

L’éthanoate de butyle, à l’odeur de banane, est synthétisé par chauffage à reflux de l’acide éthanoïque \(\text{CH}_3\text{COOH}\) et du butan-1-ol \(\text{CH}_3\text{(CH}_2)_3\text{OH}\). Après purification, on enregistre le spectre infrarouge du produit (figure 2). Données IR ci-dessous.

Liaisonσ (cm⁻¹)IntensitéAllure de la bande
O–H alcool libre3580 – 3650fortefine
O–H alcool lié3200 – 3400fortelarge
O–H acide carboxylique2500 – 3200forte à moyennelarge
C–H (carbone tétragonal)2800 – 3000forteplusieurs pics
C=O ester1730 – 1750fortefine
C=O aldéhyde et cétone1650 – 1730fortefine
C=O acide carboxylique1680 – 1710fortefine
C–O1050 – 1450forte–
5001000150020002500300035004000020406080100Nombre d’onde σ (cm⁻¹)Transmittance T (%)
Figure 2 — Spectre IR du produit purifié
  1. Écrire l’équation de la réaction avec les formules semi-développées et entourer le groupe caractéristique de l’ester formé.1 pt · 3 min
  2. Relever les nombres d’onde de trois bandes caractéristiques du spectre et les associer à des liaisons.1 pt · 3 min
  3. Montrer que ce spectre est compatible avec un ester pur : ni acide carboxylique, ni alcool.1,25 pts · 3 min
  4. Un autre échantillon présente en plus une bande large et intense vers \(3300\ \text{cm}^{-1}\). Quelle impureté peut-on suspecter ? Justifier.0,75 pt · 2 min
  5. Tracer sur l’annexe 3 l’allure du spectre IR du butan-1-ol (réactif).1 pt · 2 min
5001000150020002500300035004000020406080100Nombre d’onde σ (cm⁻¹)Transmittance T (%)
Annexe 3 — Axes pour tracer l’allure du spectre IR du butan-1-ol (à rendre avec la copie)

1. \(\text{CH}_3\text{–COOH} + \text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–OH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{–COO–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_3 + \text{H}_2\text{O}\). Le groupe caractéristique de l’ester est \(\text{–COO–}\) (ester).

2. \(\approx 2960\ \text{cm}^{-1}\) : \(\text{C–H}\) ; \(\approx 1740\ \text{cm}^{-1}\) : \(\text{C=O}\) d’ester (1730 – 1750) ; \(\approx 1240\ \text{cm}^{-1}\) : \(\text{C–O}\) (1050 – 1450), avec une deuxième bande \(\text{C–O}\) vers 1045.

3. Présence de \(\text{C=O}\) d’ester à 1740 et de \(\text{C–O}\). Absence de bande large au-dessus de \(3200\ \text{cm}^{-1}\) (pas d’alcool \(\text{O–H}\)) et de bande large \(2500 – 3200\) (pas d’acide carboxylique). Un acide aurait aussi un \(\text{C=O}\) vers \(1700\) et un butan-1-ol un \(\text{O–H}\) lié vers \(3300\) : rien de tel ici.

4. Une bande large et forte vers \(3300\ \text{cm}^{-1}\) correspond à un \(\text{O–H}\) d’alcool lié : il reste du butan-1-ol (réactif en excès). (De l’eau résiduelle absorberait aussi dans cette zone.)

5. Attendu : bande \(\text{O–H}\) alcool lié large vers 3330, \(\text{C–H}\) vers 2960 – 2875, pas de \(\text{C=O}\), bande \(\text{C–O}\) intense vers 1060.

5001000150020002500300035004000020406080100Nombre d’onde σ (cm⁻¹)Transmittance T (%)O–H liéC–HC–O
Annexe 3 corrigée — allure du spectre IR du butan-1-ol
Exercice 4 — Titrage conductimétrique d’un détartrant pour WCChapitre 3⏱ 17 min5 points

Un détartrant pour WC est une solution d’acide chlorhydrique (\(\text{H}_3\text{O}^+ + \text{Cl}^-\)) annoncée à « 8 % en masse » de \(\text{HCl}\) (masse volumique \(\rho = 1{,}05\ \text{g}\cdot\text{mL}^{-1}\)). On le dilue 20 fois pour obtenir une solution \(S\). On prélève \(V_A = 10{,}0\ \text{mL}\) de \(S\) (le titré), on ajoute \(90\ \text{mL}\) d’eau distillée et on titre par une solution d’hydroxyde de sodium (le titrant) de concentration \(C_B = 0{,}100\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\) en suivant la conductivité \(\sigma\) du mélange.

V (mL)02468101315171921
σ (mS·m⁻¹)512,5450,2392,8330,9272,7211,1175,6227,2275,6327,2375,4
Données : \(M(\text{HCl}) = 36{,}5\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}\) ; conductivités molaires ioniques en \(\text{mS}\cdot\text{m}^2\cdot\text{mol}^{-1}\) : \(\lambda(\text{H}_3\text{O}^+) = 35{,}0\) ; \(\lambda(\text{Na}^+) = 5{,}01\) ; \(\lambda(\text{Cl}^-) = 7{,}63\) ; \(\lambda(\text{HO}^-) = 19{,}9\).
  1. Écrire l’équation de la réaction support du titrage.0,5 pt · 1 min
  2. Pourquoi ajoute-t-on de l’eau distillée avant le titrage ? Quelle hypothèse peut-on alors faire sur le volume ?0,5 pt · 1 min
  3. Tracer sur l’annexe 4 les points \((V\,;\sigma)\) et les deux droites qui les modélisent.1 pt · 4 min
  4. Expliquer l’évolution de \(\sigma\) avant puis après l’équivalence en raisonnant sur les ions présents et leurs \(\lambda\). Quel ion est spectateur ?1,5 pts · 5 min
  5. Déterminer graphiquement le volume équivalent \(V_E\).0,5 pt · 2 min
  6. En déduire la concentration \(C_A\) de \(S\), puis le pourcentage massique de \(\text{HCl}\) du détartrant. Calculer l’écart relatif avec « 8 % ».1 pt · 4 min
0246810121416182022100150200250300350400450500550Volume de soude versé V (mL)Conductivité σ (mS·m⁻¹)
Annexe 4 — Courbe \(\sigma = f(V)\) à tracer (à rendre avec la copie)

1. \(\text{HO}^-\text{(aq)}\) + \(\text{H}_3\text{O}^+\text{(aq)}\) \(\rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}(\ell)\).

2. L’eau permet d’immerger correctement la cellule conductimétrique. Le volume ajouté de soude (quelques mL) est faible devant \(100\ \text{mL}\) : on peut négliger la dilution, ce qui rend \(\sigma\) affine en fonction de \(V\) de part et d’autre de l’équivalence.

3. Voir l’annexe 4 corrigée : droite décroissante (points 0 à 10 mL) et droite croissante (points 13 à 21 mL).

0246810121416182022100150200250300350400450500550Volume de soude versé V (mL)Conductivité σ (mS·m⁻¹)Vₑ ≈ 12,0 mL
Annexe 4 corrigée — les deux droites se coupent au point équivalent

4. Avant l’équivalence : \(\text{HO}^-\) ajouté est consommé ; chaque \(\text{H}_3\text{O}^+\) disparu (\(\lambda = 35{,}0\)) est remplacé par un \(\text{Na}^+\) (\(\lambda = 5{,}01\)) : \(\sigma\) diminue. Après l’équivalence : \(\text{HO}^-\) n’est plus consommé et s’accumule avec \(\text{Na}^+\) ajouté (\(\lambda(\text{HO}^-) = 19{,}9\)) : \(\sigma\) augmente. L’ion \(\text{Cl}^-\) n’intervient pas dans la réaction : il est spectateur (sa concentration reste constante).

5. À l’intersection des deux droites : \(V_E = 12{,}0\ \text{mL}\).

6. \(C_A V_A = C_B V_E\) donc \(C_A = \dfrac{0{,}100\times12{,}0}{10{,}0} = 0{,}120\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\). Détartrant : \(20\,C_A = 2{,}40\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\), soit \(t = 2{,}40\times36{,}5 = 87{,}6\ \text{g}\cdot\text{L}^{-1}\). Pourcentage massique : \(\dfrac{87{,}6}{1050} = 8{,}3\ \%\). Écart relatif avec \(8\ \%\) : \(\dfrac{|8{,}3-8|}{8} \approx 4\ \%\) : cohérent avec l’indication.