Ces exercices complètent le cours du Chapitre 1 — Suivi de l'évolution d'un système chimique. Cherche d'abord seul, puis clique pour vérifier ta réponse.

Méthode : rédiger une réponse complète

  1. Comprendre : ce que l'on cherche, les données utiles et leurs unités.
  2. Choisir la relation adaptée et l'écrire d'abord en lettres.
  3. Isoler l'inconnue, puis convertir les unités (volumes en L).
  4. Calculer en remplaçant chaque symbole par sa valeur.
  5. Conclure par une phrase, avec l'unité et des chiffres significatifs cohérents.
  6. Vérifier l'ordre de grandeur et la cohérence physique.

Niveau 1 — Application directe

Exercice 1 — Concentration molaire

On dissout m = 4,0 g de sulfate de cuivre CuSO₄ (M = 160 g/mol) dans une fiole jaugée de volume V = 250 mL. Calculer la concentration molaire de la solution obtenue.

Comprendre

On cherche la concentration en quantité de matière \(C\) d'une solution préparée par dissolution. Données : \(m=4{,}0\ \text{g}\), \(M=160\ \text{g/mol}\), \(V=250\ \text{mL}\).

Méthode

Masse → quantité de matière : \(n=\dfrac{m}{M}\) ; puis \(C=\dfrac{n}{V}\) avec \(V\) en litres.

Calcul

\(n=\dfrac{4{,}0}{160}=2{,}5\times10^{-2}\ \text{mol}\) ; \(V=0{,}250\ \text{L}\) ; \(C=\dfrac{2{,}5\times10^{-2}}{0{,}250}=0{,}10\ \text{mol/L}\)

Conclusion

La solution a une concentration \(C=0{,}10\ \text{mol·L}^{-1}\).

Piège à éviter

\(V\) est le volume de la solution (celui de la fiole jaugée), pas le volume d'eau ajouté.

Exercice 2 — Loi de Beer-Lambert

Une solution colorée présente une absorbance A = 0,68. Le coefficient directeur de la droite d'étalonnage vaut k = 850 L·mol⁻¹ (A = kC). Calculer la concentration C de cette solution.

Comprendre

On connaît l'absorbance et le coefficient de la droite d'étalonnage \(A=k\,C\) ; on cherche \(C\).

Méthode

Loi de Beer-Lambert, valable pour une solution diluée à une longueur d'onde fixée : on isole \(C=\dfrac{A}{k}\).

Calcul

\(C=\dfrac{0{,}68}{850}=8{,}0\times10^{-4}\ \text{mol/L}\)

Conclusion

La concentration de la solution vaut \(C=8{,}0\times10^{-4}\ \text{mol·L}^{-1}\).

Vérifier

Unités : \(A\) est sans unité et \(k\) en \(\text{L·mol}^{-1}\), donc \(\dfrac{A}{k}\) est en \(\text{mol·L}^{-1}\) ✓. \(A=0{,}68\) reste dans le domaine où la loi est linéaire.

Exercice 3 — Demi-équation électronique

Écrire la demi-équation électronique du couple oxydant/réducteur Fe³⁺(aq)/Fe²⁺(aq).

Méthode

Une demi-équation s'écrit toujours \(\text{Ox}+n\,e^-\rightleftharpoons\text{Red}\). L'oxydant est l'espèce la plus chargée positivement : \(\text{Fe}^{3+}\).

Calcul

Pour passer de la charge +3 à la charge +2, il faut un électron (charge −1).

Conclusion

\(\text{Fe}^{3+}(\text{aq})+e^-\rightleftharpoons\text{Fe}^{2+}(\text{aq})\)

Vérifier

Conservation de la charge : \(+3+(-1)=+2\) ✓ ; conservation de l'élément fer ✓.

Exercice 4 — Réactif limitant

Pour la réaction A + 2B → C, on mélange n₀(A) = 6,0 mmol et n₀(B) = 10,0 mmol. Déterminer le réactif limitant.

Méthode

Pour chaque réactif, on calcule l'avancement qui l'épuiserait : \(x=\dfrac{n_0}{\text{coefficient}}\). Le plus petit est \(x_{max}\).

Calcul

\(x_A=\dfrac{6{,}0}{1}=6{,}0\ \text{mmol}\) ; \(x_B=\dfrac{10{,}0}{2}=5{,}0\ \text{mmol}\) → \(x_{max}=5{,}0\ \text{mmol}\)

Conclusion

B est le réactif limitant, alors qu'on en a introduit davantage que de A : chaque réaction en consomme deux fois plus.

Vérifier

À l'état final : \(n(A)=6{,}0-5{,}0=1{,}0\ \text{mmol}\) (A en excès) et \(n(B)=10{,}0-2\times5{,}0=0\) ✓.

Niveau 2 — Approfondissement

Exercice 5 — Tableau d'avancement complet

Pour la réaction 2 Al + 3 Cu²⁺ → 2 Al³⁺ + 3 Cu, on introduit n₀(Al) = 8,0 mmol et n₀(Cu²⁺) = 15,0 mmol. Déterminer le réactif limitant et la composition finale (en mmol) de chaque espèce.

Méthode

Calculer \(x_{max}\) comme précédemment, puis reporter \(x_{max}\) dans chaque ligne du tableau d'avancement : \(n=n_0-a\,x_{max}\) pour un réactif, \(n=c\,x_{max}\) pour un produit.

Calcul

\(x_{Al}=\dfrac{8{,}0}{2}=4{,}0\ \text{mmol}\) ; \(x_{Cu^{2+}}=\dfrac{15{,}0}{3}=5{,}0\ \text{mmol}\) → \(x_{max}=4{,}0\ \text{mmol}\), Al limitant.

EspèceAlCu²⁺Al³⁺Cu
Initial (mmol)8,015,000
Final (mmol)8,0 − 2×4,0 = 015,0 − 3×4,0 = 3,02×4,0 = 8,03×4,0 = 12,0
Conclusion

État final : aluminium épuisé, 3,0 mmol de Cu²⁺ en excès, 8,0 mmol d'ions Al³⁺ et 12,0 mmol de cuivre formés.

Vérifier

Conservation des éléments : aluminium \(8{,}0=0+8{,}0\) ✓ ; cuivre \(15{,}0=3{,}0+12{,}0\) ✓. La solution reste bleue (il reste des ions Cu²⁺).

Exercice 6 — Équilibrer une équation redox et calculer xmax

Les ions permanganate oxydent les ions fer(II), selon les demi-équations MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ ⇌ Mn²⁺ + 4H₂O et Fe³⁺ + e⁻ ⇌ Fe²⁺. Écrire l'équation globale de la réaction, puis calculer l'avancement maximal pour n₀(MnO₄⁻) = 2,0 mmol et n₀(Fe²⁺) = 8,0 mmol.

Méthode

L'oxydant \(\text{MnO}_4^-\) capte 5 électrons, le réducteur \(\text{Fe}^{2+}\) n'en cède qu'un : on multiplie la demi-équation du fer par 5 pour que les électrons s'éliminent.

Calcul

\(\text{MnO}_4^-+8\,\text{H}^++5\,e^-\rightarrow\text{Mn}^{2+}+4\,\text{H}_2\text{O}\)

\(5\times(\text{Fe}^{2+}\rightarrow\text{Fe}^{3+}+e^-)\)

Somme : \(\text{MnO}_4^-+8\,\text{H}^++5\,\text{Fe}^{2+}\rightarrow\text{Mn}^{2+}+4\,\text{H}_2\text{O}+5\,\text{Fe}^{3+}\)

Avancements possibles (\(\text{H}^+\) supposé en excès) : \(x_{\text{MnO}_4^-}=\dfrac{2{,}0}{1}=2{,}0\ \text{mmol}\) ; \(x_{\text{Fe}^{2+}}=\dfrac{8{,}0}{5}=1{,}6\ \text{mmol}\).

Conclusion

\(x_{max}=1{,}6\ \text{mmol}\) : les ions \(\text{Fe}^{2+}\) sont limitants.

Vérifier

Charges de l'équation globale : à gauche \(-1+8+10=+17\), à droite \(+2+15=+17\) ✓. Il reste \(2{,}0-1{,}6=0{,}4\ \text{mmol}\) de \(\text{MnO}_4^-\) : la solution finale reste violette.

Exercice 7 — Exploiter un titrage

Lors d'un titrage (réaction 1:1), on verse Véq = 14,5 mL d'une solution titrante de concentration Ct = 0,020 mol/L pour doser V = 20,0 mL d'une solution de concentration C inconnue. Calculer C.

Comprendre

Réaction support 1 : 1. On cherche la concentration \(C\) de la solution titrée à partir du volume équivalent.

Méthode

À l'équivalence, les réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiométriques : \(n_{titré}=n_{titrant\ versé}\), soit \(C\times V=C_t\times V_{éq}\).

Calcul

\(C=\dfrac{C_t\times V_{éq}}{V}=\dfrac{0{,}020\times14{,}5}{20{,}0}=1{,}45\times10^{-2}\ \text{mol/L}\)

Les volumes peuvent rester en mL : seul leur rapport intervient.

Conclusion

La solution titrée a une concentration \(C\approx1{,}5\times10^{-2}\ \text{mol·L}^{-1}\) (2 chiffres significatifs, comme \(C_t\)).

Vérifier

\(V_{éq}<V\) et \(C<C_t\) : cohérent, il a fallu moins de titrant que de solution titrée car la solution titrée est moins concentrée. ✓

Niveau 3 — Type bac

Exercice 8 — Dosage du diiode

Une solution de diiode I₂ de concentration inconnue C est dosée par une solution de thiosulfate de sodium de concentration Ct = 0,050 mol/L, selon I₂ + 2 S₂O₃²⁻ → 2 I⁻ + S₄O₆²⁻. On prélève V = 10,0 mL de la solution de diiode ; l'équivalence (décoloration) est atteinte pour Véq = 8,4 mL.

1. Justifier pourquoi on peut repérer l'équivalence par un changement de couleur.
2. Calculer la concentration C de la solution de diiode.
3. Si on avait prélevé un volume double (20,0 mL) de la même solution, quel aurait été le nouveau volume équivalent ?

1. Repérage de l'équivalence

Le diiode est la seule espèce colorée (jaune-brun) ; \(\text{I}^-\), \(\text{S}_2\text{O}_3^{2-}\) et \(\text{S}_4\text{O}_6^{2-}\) sont incolores. Tant qu'il reste du diiode, la solution est colorée ; à l'équivalence, le dernier \(\text{I}_2\) disparaît : la solution se décolore. En pratique, on ajoute un peu d'empois d'amidon (ou de thiodène) près de l'équivalence : la teinte bleu foncé qui disparaît rend le repérage plus net.

2. Concentration du diiode
Méthode

D'après l'équation, 1 mol de \(\text{I}_2\) réagit avec 2 mol de thiosulfate. À l'équivalence : \(n_0(\text{I}_2)=\dfrac{n(\text{S}_2\text{O}_3^{2-})_{versé}}{2}\), soit \(C\times V=\dfrac{C_t\times V_{éq}}{2}\).

Calcul

\(C=\dfrac{C_t\times V_{éq}}{2\,V}=\dfrac{0{,}050\times8{,}4}{2\times10{,}0}=2{,}1\times10^{-2}\ \text{mol/L}\)

Conclusion

La solution de diiode est à \(C\approx2{,}1\times10^{-2}\ \text{mol·L}^{-1}\).

3. Volume prélevé doublé

On dose deux fois plus de diiode (même concentration, volume double) : il faut deux fois plus de thiosulfate, donc \(V'_{éq}=2\times8{,}4=16{,}8\ \text{mL}\) — encore mesurable avec une burette de 25 mL.

Piège à éviter

Écrire \(C\times V=C_t\times V_{éq}\) en oubliant le facteur 2 donnerait une concentration double. La relation d'équivalence vient toujours des coefficients de l'équation.

Exercice 9 — Dosage du fer dans un comprimé

Un comprimé contient du fer sous forme Fe²⁺. On le dissout pour obtenir V = 100,0 mL de solution. Un prélèvement V₁ = 10,0 mL est dosé par une solution de permanganate de potassium de concentration C = 1,0×10⁻² mol/L, selon MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5Fe²⁺ → Mn²⁺ + 4H₂O + 5Fe³⁺. L'équivalence est atteinte pour Véq = 11,2 mL.

1. Comment repère-t-on l'équivalence (permanganate violet, autres espèces incolores) ?
2. Calculer la quantité de Fe²⁺ dans V₁, puis dans les 100,0 mL initiaux.
3. En déduire la masse de fer par comprimé (M(Fe) = 56 g/mol).

Stratégie

On titre un prélèvement (10,0 mL) d'une solution de 100,0 mL qui contient tout le fer du comprimé. Chaîne : \(n(\text{MnO}_4^-)_{versé}\) → \(n(\text{Fe}^{2+})\) dans 10,0 mL → dans 100,0 mL → masse de fer.

1. Repérage de l'équivalence

Avant l'équivalence, chaque goutte de permanganate (violet) est aussitôt consommée par les ions \(\text{Fe}^{2+}\) : la solution reste quasi incolore. Dès que tout le \(\text{Fe}^{2+}\) a réagi, le permanganate n'est plus consommé : une teinte rose-violet persistante apparaît. Le permanganate joue lui-même le rôle d'indicateur.

2. Quantités de Fe²⁺
Calcul

\(n(\text{MnO}_4^-)=C\times V_{éq}=1{,}0\times10^{-2}\times11{,}2\times10^{-3}=1{,}12\times10^{-4}\ \text{mol}\)

Équation : 1 \(\text{MnO}_4^-\) pour 5 \(\text{Fe}^{2+}\), donc \(n(\text{Fe}^{2+})_{V_1}=5\times1{,}12\times10^{-4}=5{,}6\times10^{-4}\ \text{mol}\)

Le prélèvement représente \(\dfrac{10{,}0}{100{,}0}=\dfrac{1}{10}\) de la solution : \(n(\text{Fe}^{2+})_{total}=10\times5{,}6\times10^{-4}=5{,}6\times10^{-3}\ \text{mol}\)

3. Masse de fer
Calcul

\(m=n\times M=5{,}6\times10^{-3}\times56=0{,}31\ \text{g}\)

Conclusion

Le comprimé contient environ 0,31 g (310 mg) de fer.

Piège à éviter

Deux oublis fréquents : le coefficient 5 de l'équation, et le facteur 10 entre le prélèvement et la solution totale. Chacun fausse le résultat d'un facteur 5 ou 10.