questions récurrentes en chimie

[benjy_star]

Bonsoir.

J'ouvre ici un fil dont le but est de recenser les questions qui reviennent souvent en chimie. Il ne s'agit pas d'une FAQ, mais juste des "trucs" qui reviennent habituellement.

Vous êtes libres de participer, de la même façon que je suis libre de modifier ou supprimer tout message qui ne va pas dans le sens escompté.

Liste des questions récurrentes :

• Comment faire un tableau d'avancement ?
• Comment jongler avec les coefficients stoechiométriques ?
• Comment calculer la concentration molaire d'une solution à X % et de densité d ?
• Comment équilibrer une équation d'oxydoréduction ?
• Comment passer de g/L aux mol/L ?
• Structure électronique, cases quantiques et classification périodique ?
• Comment calculer les quantités de matière ?
• Atomistique, théories quantiques et liaison chimique ?
  

[benjy_star]

Pour la réaction : aA + bB ==> cC + dD

[benjy_star]

Pour la réaction : aA + bB ==> cC + dD



On précise toutefois que que les substances ne sont pas réellement apparues ni ont disparu elles se sont transformées, comme dirait Lavoisier.

[laugen]

Comment calculer la concentration molaire d'une solution à X % et de densité d ?
Par exemple une solution commerciale d'HCl à 37 %. dont on connait la densité.

Raisonnons sur 1L. La densité nous permet d'avoir la masse volumique. On peut donc écrire :

Densité = masse volumique en kg/L

On accède donc à la masse de notre litre de solution :

Mais seul 37% de cette masse correspond à la masse de HCl. On a donc :



Ce qui correspond à une quantité de matière :



En divisant par le volume, on obtient la concentration :

[Duke Alchemist]

Comment équilibrer une équation d'oxydoréduction ?

* Déterminer les couples redox mis en jeu.
Notons ces couples
Ox₁/Red₁ et Ox₂/Red₂

* Ecrire les demi-équations associées à chaque couple.
(Il est bon de rappeler que les demi-équations redox n'ont aucune réalité physique mais qu'elles nous aident bien à comprendre ce qu'il se passe)

- D'abord, des exemples :
Ex.1 : couple Cu²⁺/Cu :
Cu²⁺ + 2e^- = Cu
Cu²⁺ + 2e^- = Cu (conservation de la charge électrique)

Ex.2 : couple MnO₄^-/Mn²⁺ :
MnO₄^- + 8H⁺ + 5e^- = Mn²⁺ + 4H₂O (ATTENTION ! ici l'équation est déjà équilibrée en Mn)
MnO₄^- + 8H⁺ + 5e^- = Mn²⁺ + 4H₂O (conservation de l'élément oxygène O)
MnO₄^- + 8H⁺ + 5e^- = Mn²⁺ + 4H₂O (conservation de l'élément H en introduisant des H⁺)
MnO₄^- + 8H⁺ + 5e^- = Mn²⁺ + 4H₂O (conservation de la charge électrique avec les électrons e^-)
Ce deuxième exemple montre que l'oxydoréduction peut être associée au pH...
(voir en application les diagrammes de Pourbaix E-pH)


* Etablissement de l'équation-bilan :
On supposera que Ox₁ est réduit en Red₁ et que Red₂ est oxydé en Ox₂.

Pour obtenir l'équation-bilan de la réaction d'oxydoréduction, il suffit de faire "disparaître" les électrons qui sont transférés au cours de la réaction.
Pour cela, on multiplie la première équation par n₂ et la deuxième par n₁.
On ajoute membre à membre les deux demi-équations (on a bien de part et d'autre n₁*n₂ e^- qui se "simplifient")


- Cas simple (sans les H⁺) :

a₁Ox₁ + n₁e^- = b₁Red₁

b₂Red₂ = a₂Ox₂ + n₂e^-

L'équation-bilan s'écrit alors :

n₂*a₁Ox₁ + n₁*b₂Red₂ -> n₂*b₁Red₁ + n₁*a₂Ox₂

Les coefficients a_i et b_i sont ici des entiers naturels.
On notera bien que n₂ multiplie tous les termes de la première équation et n₁ tous les termes de la deuxième !

- Cas où les H⁺ interviennent :
Un peu plus lourd à écrire... et certainement pas à connaître par coeur

Un bon exemple pour terminer :
La réduction de l'ion dichromate en chrome III par le Fe II.
* Les couples mis en jeu sont :

Cr₂O₇^2-/Cr³⁺
et
Fe³⁺/Fe²⁺

* Ecriture des demi-équations :

Cr₂O₇^2- + 14 H⁺ + 6e^- = 2Cr³⁺ + 7H₂O
Cr₂O₇^2- + 14 H⁺ + 6e^- = 2Cr³⁺ + 7H₂O
Cr₂O₇^2- + 14 H⁺ + 6e^- = 2Cr³⁺ + 7H₂O
Cr₂O₇^2- + 14 H⁺ + 6e^- = 2Cr³⁺ + 7H₂O
(réduction du dichromate)

Fe²⁺ = Fe³⁺ + e^-
(oxydation du fer II)

On multiplie par 6 la deuxième demi-équation (et par 1 la première) et on a :

Cr₂O₇^2- + 6Fe²⁺ + 14 H⁺ -> 2Cr³⁺ + 6Fe³⁺ + 7H₂O

N.B. : Le principe des équilibres des demi-équations est toujours le même ; il faut connaître les différentes étapes et savoir les justifier rigoureusement (conservations des différents éléments et de la charge électrique notamment)

[benjy_star]

Comment passer des g/L aux mol/L ?

Pour ce faire, un simple raisonnement sur les unités suffit. Résumons :

Unités :

• concentration massique, c_m : g/L
• concentration molaire, c_n : mol/L
• masse molaire, M : g/mol

On remarque que si on divise une concentration massique par une masse molaire :



D'où la relation :

[Duke Alchemist]

Structure électronique, cases quantiques et classification périodique : le b.a.-ba

• Les cases quantiques et la structure électronique :
  Les orbitales s sont représentées par 1 case quantique
  Les orbitales p sont représentées par 3 cases quantiques
  Les orbitales d sont représentées par 5 cases quantiques
  Les orbitales f sont représentées par 7 cases quantiques
  Chaque case contenant au maximum 2 électrons de spins opposés (Règle de Hund).
  Un électron est représenté par une flèche.
  Par conséquent, il y aura maximum 2 flèches de sens opposé dans une même case.
  
  L'odre des sous-couches est le suivant :
  1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p
  (règle de Klechkowski... qui se retient avec un petit tableau à double entrée tout bête )
  /
• Structures électroniques des premiers éléments :
  H : 1 e^- sur la couche 1
  répartition électronique : 1s¹
  1 flèche vers le haut (ou le bas) dans la case 1s
  
  He : 2 e^- sur la couche 1
  répartition électronique : 1s²
  1 flèche en plus par rapport à H dans l'autre sens dans la case 1s
  => La case 1s est saturée.
  
  Li : 2 e^- sur la couche 1 et 1 sur la couche 2
  répartition électronique : 1s²2s¹
  on rajoute 1 flèche vers le haut (ou vers le bas) dans 2s (par rapport à He d'où l'écriture [He]2s¹ pour la structure de Li)
  
  Be : 2 e^- sur la couche 1 et 2 sur la couche 2
  répartition électronique : 1s²2s²
  on rajoute une flèche dans l'autre sens dans la case 2s par rapport à Li
  => La case 2s est saturée.
  
  B : 2 e^- sur la couche 1 et 3 sur la couche 2 dont 2 dans 2s et 1 dans 2p.
  répartition électronique : 1s²2s²2p¹
  une flèche en plus dans une des cases de 2p
  
  C : 2 e^- sur la couche 1 et 4 sur la couche 2 dont 2 dans 2s et 2 dans 2p.
  répartition électronique : 1s²2s²2p²
  Attention ! La flèche à rajouter par rapport à B est dans le même sens et dans une autre case de 2p !
  
  N : 2 e^- sur la couche 1 et 5 sur la couche 2 dont 2 dans 2s et 3 dans 2p.
  répartition électronique : 1s²2s²2p³
  Attention ! La flèche à rajouter par rapport à B (et C) est dans le même sens et dans la dernière case libre de 2p !
  => La couche 2p est à moitié remplie (important car énergétiquement stable)
  
  O : 2 e^- sur la couche 1 et 5 sur la couche 2 dont 2 dans 2s et 4 dans 2p.
  répartition électronique : 1s²2s²2p⁴
  Attention ! La flèche à rajouter par rapport à N est dans le sens opposé dans une case de 2p (déjà occupée par 1 e-)
  
  On termine avec
  F : 1s²2s²2p⁵
  et
  Ne : 1s²2s²2p⁶
  => La couche 2p est saturée.
  
  Le raisonnement est le même pour la suite... et comme partout, il y a bien sûr des exceptions.
  /
• La structure électronique et les blocs de la classification périodique des éléments.
  * Les 2 premières colonnes correspondent au remplissage de la sous-couche s (ns¹ et ns²). => bloc s
  
  * Les 6 dernières colonnes correspondent au remplissage de la sous-couche p (ns²p¹ jusqu'à ns²p⁶). => bloc p
  
  * Les éléments de transition (10 colonnes) correspondent au remplissage de la sous-couche d (ns²p⁶d¹ jusqu'à ns²p⁶d¹⁰).
  => bloc d
  
  * Les Lanthanides et Actinides (2 lignes de 14 colonnes) correspondent au remplissage de la sous-couche f (ns²p⁶d¹⁰f¹ jusqu'à ns²p⁶d¹⁰f¹⁴).
  => bloc f
  
  Cependant il y a des exceptions (toujours elles) :
  - La première déjà est l'hélium (He) : en 1s², il devrait se situé dans la deuxième colonne du tableau mais la couche s étant remplie (ou saturée) il apparaît dans la dernière colonne et fait partie des gaz rares - qui sont chimiquement stables et ne réagissent que très peu à cause de leur couche périphérique remplie (le Xénon est un peu à part mais cela est déjà traité dans un autre post).
  - Ensuite dans les éléments de transition, il y a quelques exceptions, notamment le cuivre qui, pour se stabiliser, n'a pas la configuration attendue (cela a déjà été abordé aussi dans un autre post), il y en a d'autres encore...
  - dans le bloc f, là il y a pas mal de "bousculades" côté structure électronique... Je vous laisse chercher les configurations si ça vous intéresse mais ce bloc est peu traité (à cause, sans doute, du nombre important de ces exceptions !?!)
  /
• Complément :
  Vous pouvez aller voir aussi ce magnifique site (en anglais).
  Choisissez un élément (au hasard ou pas).
  Descendez un peu sur la gauche
  > Electronic properties > Electronic configuration et vous pourrez découvrir le remplissage des cases quantiques suivant le nombre d'électrons

PS : Ce post est un medley de deux de mes réponses antérieures...

[Duke Alchemist]

Comment calculer les quantités de matière ?

Il est souvent demandé (ou recommandé) de savoir déterminer les quantités de matière pour dresser un tableau d'avancement ou tout simplement parce que la question est : " Calculer la quantité de matière contenue dans ... ?"

Voici les cas les plus fréquents :

• cas d'une solution (aqueuse) :
  Connaissant la concentration et le volume de la solution , on utilise la relation
  
  
  
  
  /avec en , en et en
  /
• cas où on connaît la masse molaire :
  Connaissant la masse molaire et la masse , on utilise la relation
  
  
  
  
  /avec en , en et en
  /
• cas d'un gaz dont on donne le volume molaire :
  Connaissant le volume molaire et le volume du gaz , on utilise la relation
  
  
  
  
  /avec en , en et en
  /
• cas d'un gaz parfait :
  Connaissant la pression , la température et le volume , on utilise la loi des gaz parfaits :
  
  
  
  
  /avec en , en (ATTENTION !!), en et

/
Complément :
De ces deux dernières relations, on déduit l'expression du volume molaire d'un gaz parfait en fonction de la pression et de la température. En effet, on a :

Une petite application numérique (pour s'en convaincre) :
à une température T=293,15K (= 20°C) et sous une pression p = 101325Pa (= 1atm) et R=8,31SI, on trouve V_m = 0,024m³.mol^-1 soit V_m = 24L.mol^-1

Le même calcul à T=273,15K conduit à V_m = 22,4L.mol^-1
(si ça ne vous dit rien, on ne peut plus grand chose pour vous )

[benjy_star]

Il y a plusieurs normalités, selon ce que tu fais comme chimie
Pour les pH, on compte le nombre de protons échangeables
Pour l'oxydoréduction, on compte le nombre d'électrons échangeables
(pour la physio, il semblerait qu'on tienne compte de la charge de l'ion)

Pour une solution d'acide ou de base (respectivement d'oxydant ou de réducteur) contenant une concentration M en mol/L d'une espèce capable d'échanger n protons (respectivement n électrons) la normalité est N=x*M

Exemples
Acido/basique
L'acide chlorhydrique libère 1 proton, une solution à 2M=2mol/L est également 2N

L'acide sulfurique libère 2 protons, une solution à 3M=3mol/L est également 6N

Oxydo/réduction
Dans le couple MnO₄^-/Mn²⁺ le manganèse échange 5 électrons
MnO₄^- + 8H⁺ + 5e^- = Mn²⁺ + 4H₂O
Une solution 2M=2mol/L de permanganate est donc 10N

Dans le couple MnO₄^-/MnO₂ le manganèse échange 3 électrons
MnO₄^- + 4H⁺ + 3e^- = MnO₂ + 2H₂O
Une solution 2M=2mol/L de permanganate est donc 6N

Dans le couple I₂/I^- le diiode libère 2 électrons mais chaque iodure capte 1 électron
I₂ + 2e^- = 2I^-
Une solution molaire de diiode sera 2N alors qu'une solution molaire en iodure sera 1N

Crédits : Harley

[RuBisCO]

Deduire la concentration par un dosage
Ici, dans le cadre d'un énoncé déjà préétablit, type : "on dose A par B"
Donc on met l'espèce A de concentration inconnue dans le bécher et la solution de concentration connue en B dans la burette.

On écrit l'équation de la réaction par les méthodes précédentes : oxydoréduction ou acide-base

Lors de l'expérimentation, on déverse la solution de B jusqu'à l'équivalence, soit un volume V_B qu'on nommera V_equ
Pour se le représenter, dans le tableau d'avancement :

On a donc



Je sais, c'est monstrueux, remplacez par les valeurs au fur et à mesure, et c'est nettement plus digeste.

[RuBisCO]

Nommer les molécules organiques, niveau première

Comme je ne sais pas mettre des images au fur et à mesure du texte, j'ai regroupé en une fiche méthode ( le PDF est en pièce jointe) la méthode qu'on m'a enseigné lors de ma première S.

Points abordés :
- alcanes linéaires, ramifié, cyclique
- alcènes et isomérie Z/E
- alcools, aldéhydes, cétones, acide carboxyliques, halogénures
- amines simples (primaire, secondaire et tertiaire)

Nomenclature022.pdf
Rq / Harley :
il manque un cyclo dans un cyclohexane
le dernier composé n'est pas stable

[RuBisCO]

Calcul du pH à partir d'une concentration

Notion préalable :
- un acide est dit fort s'il s'ionise complètement en solution diluée.
- un acide est dit faible s'il s'ionise que partiellement.


pH d'un acide fort :
Soit la concentration de l'acide
Comme l'acide s'ionise complètement, on a :

On obtient le pH par la relation :

Dans le cas où il s'agit d'un polyacide avec H⁺ libérables, l'équation devient :

pH d'un acide faible :
Soit la concentration de l'acide et cet acide possède un pK_a donné.
On utilisera la constante de dissociation pour les calculs,
On a par définition :

plus de commodité, on définit :

On résout pour trouver la valeur de et on calcule le pH avec la relation


pH d'un polyacide faible :
Il est relié a plusieurs pK_a, chacun correspondant a un proton libérable.
On commence par le K_a le plus grand (donc le pK_a le plus faible).
On résoud la première équation :

Puis devient la nouvelle concentration, on utilise la constante K_a non utilisée la plus grande :

et on refait de même jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de pK_a non utilisé.
On additionne les différentes valeurs des x trouvés pour obtenir , et on en déduit le pH avec

 Cliquez pour afficher

Exemple : calculer le pH d'une solution d'acide oxalique (COOH)₂ à 0.1 mol.L^-1. Les pK_a associés sont 1.2 et 4.3.
Les différents K_a sont : et
On résout la première équation avec K_a1 :

On résout la seconde équation avec K_a2 :

On en déduit que et que

[RuBisCO]

Calcul du pH à partir d'une concentration

Notion préalable :
- une base est dite forte si elle s'ionise complètement en solution diluée.
- une base est dite faible si elle s'ionise que partiellement.


pH d'une base forte :
Soit la concentration de la base
Comme la base s'ionise complètement, on a :

On obtient le pH par la relation :

Dans le cas où il s'agit d'un polybase avec HO^- libérables, l'équation devient :

 Cliquez pour afficher

Exemple : calculer le pH d'une solution d'hydroxyde de césium à 0.1 mol.L^-1
L'hydroxyde de césium est une base forte, il se dissocie entièrement selon l'équation CsOH Cs⁺ + HO^-
Ici, C=0.1 et =1
donc

pH d'une base faible :
Soit la concentration de la base et cette base possède un pK_b donné. Si on vous donne un pK_a,
On utilisera la constante de dissociation pour les calculs,
On a par définition :

plus de commodité, on définit :

On résout pour trouver la valeur de et on calcule le pH avec la relation

 Cliquez pour afficher

Exemple : calculer le pH d'une solution d'ammoniaque à 0.1 mol.L^-1. Le pK_a associé est 9.2.
et
On a :

donc

[RuBisCO]

Calcul du pH à partir d'une concentration

Notion préalable :
- un ampholyte est une espèce chimique qui est l'acide d'un couple acide-base mais aussi la base dans un autre couple.
exemple : l'eau qui est dans les couples H₃O⁺/H₂O et H₂O/HO^-
- un ampholyte est une espèce chimique amphotère.


pH d'un ampholyte - introduction :
Soit l'espèce ampholyte HB^-.
Elle fait partie de deux couples : H₂B/HB^- et HB^-/B^2-
En solution, on a donc :

HB^- + HB^- H₂B + B^2-

De cette équation, on peut en déduire que : [H₂B] = [B^2-]

Deux couples sont mis en jeu, donc deux constantes Ka :

pH d'un ampholyte - calculs :
Intéressons-nous au produit Ka₁.Ka₂ :

Comme [H₂B] = [B^2-], on peut dire que :

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Exemple : calculer le pH d'une solution d'hydrogénocarbonate de sodium de concentration 0.1 mol.L^-1. Les pKa associés sont 6.35 et 10.32
La concentration n'intervient pas dans le calcul.

donc

[RuBisCO]

Calcul du pH d'un mélange à partir de la concentration de deux solutions

Mélange de deux acides forts :
Soit le mélange de deux acides forts:
- un volume V₁ d'une solution de concentration C₁
- un volume V₂ d'une solution de concentration C₂
Comme les acides forts s'ionisent complètement, on a :

Mélange de deux acides faibles :
Soit le mélange de deux acides faibles :
- un volume V₁ d'une solution de concentration C₁ (associé à Ka₁)
- un volume V₂ d'une solution de concentration C₂ (associé à Ka₂)
Nous n'avons pas dans ce cas une ionisation complète, on recourt donc à la formule suivante :

Mélange d'un acide fort et d'un acide faible :
Soit le mélange de deux acides :
- un volume V₁ d'un acide fort de concentration C₁
- un volume V₂ d'un acide faible de concentration C₂ (associé à Ka)

pour ceux qui veulent éviter les équations :
Comme l'acide fort s'ionise complètement, il va avoir tendance, d'après le principe de Le Chatelier à déplacer l'équilibre de la dissociation de l'acide faible vers l'acide non dissocié.
Autrement dit, l'acide faible va moins bien se dissocier en présence de l'acide fort, donc il devient négligeable :

ATTENTION : cette formule ne fonctionne que si la quantité d'oxonium libérée par l'acide fort est clairement supérieure à celle susceptible d'être libéré par l'acide faible. Sinon, on commence à avoir des divergences. (notamment si n₁/n₂<30%)

pour ceux qui ne veulent pas de ce raccourci :
soit la quantité d'ions oxonium libérée par l'acide faible, on a donc :

est positif, donc :

Pour trouver le pH, il suffit maintenant de poser :

Pour les courageux, le pH est donc égal à :

 Cliquez pour afficher

Exemple : on mélange 10 ml d'acide chlorhydrique à 0.6 mol.L^-1 et 80 ml d'acide acétique à 0.2 mol.L^-1. Sachant que le K_a de l'acide acétique est de 1,80.10^-5, déterminer le pH du mélange.

méthode rapide :

donc pH=1,00 (1,000)

méthode élaborée : soit la quantité d'ions oxonium apportée par la dissociation de l'acide acétique.

La résolution de l'équation nous donne =2,98.10^-5 mol (car ).
donc on obtient :

donc pH=1.00 (0.998).