Philippe APLINCOURT
Master 1 MEEF Physique-Chimie




TD 3

Equilibres chimiques



Préparation de solutions aqueuses
En dissolvant des solides…
On dispose d’une fiole jaugée de volume ???? = 500 mL.
On essaie d’y dissoudre dans de l’eau distillée les composés suivants :

• 20,0 g de sulfate ferrique Fe2(SO4)3 ;
• 13,5 g de chlorure ferrique hexahydraté (FeCl3, 6 H2O)
• 10,0 g de chlorure de plomb PbCl2
• 30,0 g de glucose C6H12O6

1. Dans chaque cas, on demande d’écrire la réaction de dissolution, de déterminer si on obtient une solution
limpide ou saturée, de déterminer l’état final du système : phases en présence et concentration des espèces
chimiques dans la solution.

En dissolvant un liquide…
On souhaite préparer un mélange d’eau et d’éthanol, de degré alcoolique 14°. Pour ce faire, on introduit 14,0 mL
d’éthanol dans une fiole jaugée de 100,0 mL, et on complète au trait de jauge avec de l’eau distillée, tout en agitant
régulièrement.
On mesure une masse volumique de 0,976 g.cm-3 pour cette solution à 20℃.

2. Déterminer la fraction molaire en éthanol de cette solution, sa fraction massique et sa concentration.

En diluant une solution commerciale...
On veut préparer un litre d’une solution aqueuse d’acide chlorhydrique de concentration égale à 0,100 mol.L-1, à
partir d’une solution concentrée de cet acide dont la bouteille indique les informations suivantes : « HCl à 32% en
masse, densité : 1,16 ».

3. Indiquer une façon raisonnable de préparer la solution diluée demandée.
4. Un dosage de la solution ainsi préparée indique que la concentration est en fait de 0,094 mol.L-1. Quel
pourrait être l’origine de cet écart ?

Données :
Masses molaires en g.mol-1 : H = 1,0 C = 12,0 O = 16,0 S = 32,1 Cl = 35,5 Fe = 55,8 Pb = 207,2
Solubilité dans l’eau en mol.L-1 : PbCl2 = 1,43.10-2 Fe2(SO4)3 : très soluble
FeCl3 = 5,67 glucose = 4,99
Masses volumiques à 20℃ en g.cm : éthanol pur = 0,789
-3
eau pure = 0,998
 Philippe APLINCOURT
Master 1 MEEF Physique-Chimie


Diagramme de phases de l’hélium
La première liquéfaction de l’hélium est attribuée au physicien hollandais Heike Kamerlingh Onnes, qui l’a réalisée
en 1907. Elle lui a valu le prix Nobel en 1913. Il atteint alors une température d’environ -271,5°C, soit un peu plus
de 1 degré au-dessus du zéro absolu. Cette liquéfaction a ouvert la voie vers la cryogénie à l’hélium et a permis la
découverte de la supraconductivité trois ans plus tard. L’état superfluide est un état ne présentant aucune viscosité,
qui a été identifié comme tel en 1937 par Piotr Kapitsa (prix Nobel de Physique 1978).




1. Quel est l’état physique de l’hélium dans un ballon de fête foraine gonflé à 1,2 bar ? Quel est l’intérêt d’un
tel ballon gonflé à l’hélium ?
2. Que se passe-t-il si on comprime progressivement le ballon précédent, à température constante ? Peut-on
observer la liquéfaction de l’hélium ? sa solidification ?
3. De l’hélium est refroidi progressivement sous la pression constante de 1 bar. Décrire les phénomènes
observés successivement. Quelle est la particularité remarquable de l’hélium par rapport aux autres corps
purs ?

Données :
Masses molaires (g.mol-1) : He = 4 N = 14 O = 16




Sens d’évolution d’une transformation chimique
Soit la réaction d’oxydation du métal cuivre par une solution aqueuse d’acide nitrique HNO3, d’équation chimique :

3 Cu(s) + 8 H+(aq) + 2 NO3–(aq) = 3 Cu2+(aq) + 2 NO(g) + 4 H2O(liq)

La constante d’équilibre de cette réaction vaut, à 25°C : K0 = 106,3.
À un instant donné, la solution de volume V = 500 mL contient 0,015 mol d’ions Cu2+ dissous, une concentration en
ions nitrate de [NO3–] = 80 mmol.L-1, et son pH est de 1,0.
Un morceau de cuivre de 12 grammes est immergé dans la solution (MCu = 63,5 g.mol-1).
La solution est surmontée d’une atmosphère où la pression partielle en monoxyde d’azote est de PNO = 15 kPa.
Déterminer si le système ainsi décrit est à l’équilibre, et dans le cas contraire indiquer son sens d’évolution.
 Philippe APLINCOURT
Master 1 MEEF Physique-Chimie


La myoglobine – Extrait CAPES Externe 2014
Le dioxygène peut se fixer à l’ion Fe2+ de la myoglobine selon l’équation de réaction suivante, de constante
d’équilibre K :

Mb(aq) + O2(g) = MbO2(aq)

Considérons la mise en contact d’une solution de myoglobine de concentration molaire initiale [Mb]0 avec une phase
gazeuse de dioxygène dans laquelle la pression partielle en dioxygène, noté p(O2), est maintenue constante.
Les biochimistes définissent la saturation fractionnelle de la myoglobine, notée s Mb, comme le rapport de la quantité
de dioxygène fixée à l’équilibre à la myoglobine sur la quantité maximale de dioxygène qui pourrait être fixée :


s Mb =
MbO 2 
Mb0
(où [MbO2] est la concentration molaire de MbO2 en solution à l’équilibre)

1. Exprimer la saturation fractionnelle de la myoglobine sMb en fonction de p(O2), de la pression standard p0 et
de K.

Pour p(O2) = 0,13 kPa, la moitié des molécules de myoglobine est oxygénée, c'est-à-dire convertie en MbO2.

2. En déduire la valeur de la constante d’équilibre K.
3. Tracer l’allure de l’évolution de sMb en fonction de p(O2) sur le graphe ci-dessous en le superposant à la
courbe déjà tracée.
 Philippe APLINCOURT
Master 1 MEEF Physique-Chimie


Dissociation du calcaire
La chaux vive, solide blanc de formule CaO, est obtenue industriellement par dissociation thermique du calcaire
CaCO3, modélisée par la réaction d’équation :

CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g)

La constante d’équilibre associée à cette équation vaut, à 1100 K : K = 0,358.

1. Dans un récipient de volume V = 10 L, initialement vide, on introduit n = 10 mmol de calcaire à une
température T = 1100 K fixée. Déterminer le sens d’évolution, puis l’état final.
2. Quelle quantité de calcaire peut-on transformer au maximum en chaux dans ces conditions ?

Donnée :
Constante des gaz parfaits : R = 8,314 J.K-1.mol-1




Synthèse du trioxyde de soufre SO3 – Extrait CAPES 2005
La synthèse de SO3 en phase gazeuse est réalisée à une température de 815 K en présence d’un catalyseur solide
(V2O5) :

SO2(g) + 1/2 O2(g) = SO3(g)

La composition molaire initiale du mélange gazeux est 10 % en O2, 10 % en SO2 et 80 % en N2. La constante
d’équilibre de cette réaction à 815 K vaut K0 = 28,9

1. Dans les conditions expérimentales exposées ci-dessus, exprimer les quantités de matière en O2, N2, SO2 et
SO3 à l’équilibre en fonction de n0 (nombre initial de mole de SO2). Exprimer l’avancement  de la réaction.
2. Exprimer le rendement  de la synthèse de SO3 en fonction de  et de n0.
3. Donner l’expression du quotient réactionnel Qr en fonction de la pression P, de la pression standard P 0 et du
rendement .

La synthèse est effectuée à T = 815 K sous une pression constante de 1 bar à partir d’un mélange initial constitué de
0,05 mole de O2, 0,05 mole de SO2 et 0,4 mole de N2. Par dissolution dans l’eau, on prélève à la sortie du réacteur les
gaz SO2 et SO3. A l’aide d’un dosage approprié, on détermine la quantité nI = 0,0062 mole de SO2 prélevé.

4. Déterminer la composition du mélange gazeux à la sortie du réacteur puis calculer le rendement 0 de la
réaction dans ces conditions.
5. Calculer numériquement le quotient réactionnel Qr à la sortie du réacteur et interpréter la valeur numérique
obtenue.