Un exercice de chimie des solutions très complet
L'exercice 3 du bac S 2019 Nouvelle-Calédonie, réservé aux candidats de l'enseignement obligatoire, compte 5 points, soit environ 50 minutes. Il suit la préparation du nitrate d'ammonium à partir d'acide nitrique et d'ammoniaque, en trois parties : caractériser la solution d'acide nitrique, titrer l'ammoniaque par conductimétrie, puis réaliser la synthèse et calculer son rendement. Les notions mobilisées, concentration, dilution, pH, titrage et réactif limitant, sont toujours au programme : c'est un excellent entraînement.
Partie 1 : la solution commerciale d'acide nitrique
De la masse volumique à la concentration
La masse de 25,0 mL de solution donne une masse volumique de 1,35 g/mL. Le volume de 100 g de solution vaut alors 74,1 mL : la solution est plus dense que l'eau, un volume supérieur à 100 mL trahirait une division inversée. La question 1.3 applique une méthode à retenir : raisonner sur 100 g de solution, qui contiennent 58 g d'acide, calculer la quantité de matière puis diviser par le volume en litres. On obtient 12,4 mol/L, soit environ 12 mol/L. Attention à utiliser la masse d'acide et non celle de la solution.
Dilution, verrerie et force de l'acide
La conservation de la quantité de soluté donne un volume à prélever de 16 mL ; garder la valeur non arrondie de la concentration évite de trouver 17 mL. Le choix de la verrerie doit être justifié : pipette graduée de 20 mL, car 16 mL ne correspond pas aux 20,0 mL d'une pipette jaugée, et fiole jaugée de 200,0 mL pour fixer précisément le volume final. Après une nouvelle dilution par 100, le pH vaut 2,0 : la concentration en ions oxonium est égale à la concentration apportée, la réaction avec l'eau est totale, l'acide nitrique est un acide fort.
Partie 2 : titrage conductimétrique de l'ammoniaque
L'équation support associe l'ammoniac et les ions oxonium, sans les ions chlorure spectateurs. La justification du changement de pente est la question qui demande le plus de rédaction. Il faut lister les ions qui apparaissent ou s'accumulent avant et après l'équivalence. Avant, chaque ion oxonium versé est remplacé par un ion ammonium et les ions chlorure s'accumulent. Après, les ions oxonium ne réagissent plus et s'accumulent. Leur conductivité molaire ionique est près de cinq fois celle des ions ammonium : la pente devient plus forte. L'intersection des deux droites donne un volume équivalent de 7,6 mL, d'où une concentration de 0,38 mol/L. Le volume à utiliser est celui de la prise d'essai, 20,0 mL, et non celui du bécher dilué.
Partie 3 : la synthèse et son rendement
L'ammoniac, en plus faible quantité, est le réactif limitant : la masse maximale de nitrate d'ammonium vaut 0,76 g. Avec 0,88 g pesés, le rendement dépasse 100 %. Ce n'est pas une erreur de calcul : le solide est encore humide. Il faut le sécher à l'étuve jusqu'à masse constante. Le piège consiste à partir de l'acide nitrique, en excès, ce qui donnerait un rendement plausible mais faux.
Conseils
Gardez les valeurs non arrondies d'une question à l'autre, justifiez chaque choix de verrerie et, devant un résultat surprenant, cherchez une explication physique plutôt que de corriger le calcul.