Oui
Acide-base
Titrage
Cinétique chimique
Sujet Bac Corrigé - Eau de Javel et acide - Asie 2024 Jour 1 - Ex 1 - Corrigé (Physique-chimie)
1 juin 2024
Terminale spécialité
Pourquoi ne faut-il jamais mélanger eau de Javel et acide ? Cet exercice de 9 points du bac 2024 Asie Jour 1 part d'un accident domestique pour faire le tour de la chimie de terminale. 🧪
- Acide-base : diagramme de prédominance du couple HClO/ClO-.
- Oxydoréduction : demi-équations et volume de dichlore formé.
- Titrage pH-métrique : dilution, protocole et vérification de l'étiquette.
- Cinétique : temps de demi-réaction et influence de la température.
Le sujet officiel et le corrigé détaillé, question par question, sont gratuits en PDF.
Fiche de cours
Acide-base — Terminale spécialité physique-chimie
L'essentiel du cours, les formules et les méthodes utiles pour cet exercice, sur une page gratuite.
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Corrigé interactif · 16 questions
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Q1Représenter le diagramme de prédominance du couple HClO/ClOX−.
Données utiles pKA(HClO/ClOX−)=7,5
Indice L'acide est toujours du côté des pH faibles. À pH=pKA, les deux espèces ont la même concentration.
Sur un axe gradué en pH, la frontière est placée à pH=pKA=7,5 : l'acide HClO prédomine en dessous, la base ClOX− au-dessus.
HClO prédomine pour pH<7,5 ; ClOX− prédomine pour pH>7,5.
Diagramme de prédominance du couple HClO/ClO⁻Tu avais trouvé ?
Q2Indiquer l'espèce du couple HClO/ClOX− prédominante dans l'eau de Javel.
Données utiles pH de l'eau de Javel compris entre 11,5 et 12,5
Le pH de l'eau de Javel est supérieur à pKA=7,5 : on se trouve dans le domaine de la base.
L'ion hypochlorite ClOX− prédomine dans l'eau de Javel.
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Q3Justifier que, dans la solution Sm, les ions hypochlorite ont presque tous été transformés en acide hypochloreux.
Données utiles pH≈0 dans Sm ; pKA=7,5
Dans Sm, pH≈0 : cette valeur est très inférieure à pKA=7,5, donc HClO prédomine très largement.
En effet, [HClO][ClOX−]=10pH−pKA=10−7,5≈3×10−8.
À pH≈0, [ClOX−]≪[HClO] : les ions ClOX− ont quasiment tous été convertis en HClO.
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Q4Écrire les demi-équations redox des couples ClX2/ClX− et HClO/ClX2 (en milieu acide).
Indice Dans l'ordre : équilibrer l'élément chlore, puis l'oxygène avec HX2O, puis l'hydrogène avec HX+, enfin les charges avec des électrons.
Couple ClX2/ClX− : ClX2(g)+2eX−=2ClX−(aq)
Couple HClO/ClX2 : 2HClO(aq)+2HX+(aq)+2eX−=ClX2(g)+2HX2O(l)
ClX2+2eX−=2ClX− et 2HClO+2HX++2eX−=ClX2+2HX2O
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Q5En déduire l'équation globale de la réaction des ions chlorure avec l'acide hypochloreux :
ClX−+HClO+HX3OX+ClX2+2HX2O.
ClX− est oxydé et HClO est réduit. Les deux demi-équations échangent chacune 2 électrons ; on les additionne :
2ClX−+2HClO+2HX+2ClX2+2HX2O
On divise par 2 : ClX−+HClO+HX+ClX2+HX2O.
En solution aqueuse, HX+ s'écrit HX3OX+ : on ajoute une molécule HX2O de chaque côté.
ClX−(aq)+HClO(aq)+HX3OX+(aq)ClX2(g)+2HX2O(l) : c'est l'équation attendue. Tu avais trouvé ?
Q6Montrer que la quantité de matière de dichlore nClX2 théoriquement produite par la transformation est 0,40 mol.
Données utiles nHClO=0,40 mol ; transformation totale ; HClO réactif limitant
La transformation est totale et HClO est limitant : il est entièrement consommé.
D'après l'équation, une mole de HClO consommée forme une mole de ClX2 :
nClX2=nHClO
nClX2=0,40 mol, la valeur attendue.
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Q7En utilisant le volume molaire, en déduire le volume VClX2 occupé par le dichlore théoriquement produit.
Données utiles nClX2=0,40 mol (Q6) ; Vm=24 L⋅mol−1
VClX2=nClX2×Vm=0,40×24
VClX2=9,6 L
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Q8Montrer que, d'après l'étiquette, la concentration Ca en ions oxonium dans la solution commerciale devrait être d'environ 7 mol⋅L−1.
Données utiles M(HCl)=36,5 g⋅mol−1 ; w=23 % ; ρ=1120,0 g⋅L−1
Indice Sans formule littérale : 1 L de solution pèse 1120,0 g, dont 23 % de HCl, soit 257,6 g, c'est-à-dire 257,6÷36,5=7,1 mol.
Un volume V de solution a pour masse msolution=ρV et contient mHCl=wρV de chlorure d'hydrogène.
HCl est un acide fort, totalement dissocié : nHX3OX+=nHCl=M(HCl)wρV, donc
Ca=VnHX3OX+=M(HCl)wρ=36,50,23×1120,0
Ca=7,1 mol⋅L−1, soit environ 7 mol⋅L−1.
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Q9Écrire l'équation support du titrage entre l'ion oxonium et l'ion hydroxyde.
HX3OX+(aq)+HOX−(aq)2HX2O(l) Tu avais trouvé ?
Q10Calculer le volume de solution commerciale à prélever pour préparer 1,0 L de solution S.
Données utiles facteur de dilution F=500 ; Vfille=1,0 L
Lors d'une dilution, la quantité de matière de soluté se conserve : CaVmeˋre=CSVfille, avec CS=FCa.
Vmeˋre=FVfille=5001,0=2,0×10−3 L
Vmeˋre=2,0 mL
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Q11Proposer un protocole pour préparer 1 L de solution S en précisant la verrerie utilisée (nature et volume).
Données utiles Vmeˋre=2,0 mL (Q10)
Avec gants et lunettes :
- verser un peu de solution commerciale dans un bécher ;
- prélever 2,0 mL de cette solution avec une pipette jaugée de 2,0 mL munie d'une propipette ;
- les introduire dans une fiole jaugée de 1,0 L contenant déjà de l'eau distillée ;
- ajuster le niveau au trait de jauge avec de l'eau distillée, boucher et agiter pour homogénéiser.
Verrerie : pipette jaugée de 2,0 mL et fiole jaugée de 1,0 L.
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Q12Vérifier que la concentration en ions oxonium de la solution commerciale d'acide chlorhydrique est bien celle estimée à la question Q8.
Données utiles Cb=2,0×10−2 mol⋅L−1 ; VS=20,0 mL ; dilution d'un facteur 500 ; Ca≈7,1 mol⋅L−1 (Q8)
Indice Question ouverte : annoncer les étapes (lecture de VE, relation à l'équivalence, dilution, comparaison). Une démarche claire rapporte des points même si le calcul n'aboutit pas.
Volume à l'équivalence. L'équivalence correspond au maximum de la dérivée dVbdpH (milieu du saut de pH). On lit sur le document 2 : VE=14,0 mL.
Concentration de S. À l'équivalence, les ions HX3OX+ et HOX− sont en proportions stœchiométriques (1 pour 1) : nHX3OX+(initial)=nHOX−(verseˊ), soit CSVS=CbVE.
CS=VSCbVE=20,02,0×10−2×14,0=1,4×10−2 mol⋅L−1
Solution commerciale. Elle est 500 fois plus concentrée : Ca=500×CS=500×1,4×10−2.
Ca=7,0 mol⋅L−1 : valeur en accord avec celle de l'étiquette (7,1 mol⋅L−1, écart d'environ 1 %). L'acide n'est pas en cause.
VE=14,0 mLdVbdpHVb (mL) Dérivée du document 2 : son maximum repère l'équivalenceTu avais trouvé ?
Q13Définir le temps de demi-réaction et expliquer comment le mesurer dans le cas particulier de la courbe « 30 °C » du document 3.
Données utiles C0=0,40 mol⋅L−1
Le temps de demi-réaction t1/2 est la durée au bout de laquelle l'avancement atteint la moitié de sa valeur finale.
La transformation étant totale et ClOX− le seul réactif à disparaître, à t1/2, la moitié des ions ClOX− a été consommée, donc C(t1/2)=2C0=0,20 mol⋅L−1.
Sur la courbe « 30 °C », on trace l'horizontale d'ordonnée 0,20 mol⋅L−1 ; l'abscisse de son point d'intersection avec la courbe est t1/2.
À 30 °C : t1/2≈100 jours.
2C0=0,20t1/2=100 jC (mol⋅L−1)t (jour) Courbe « 30 °C » du document 3, avec la lecture de t1/2Tu avais trouvé ?
Q14En utilisant le temps de demi-réaction, caractériser l'influence de la température sur la cinétique de la transformation étudiée en exploitant le document 3.
Indice Pour comparer des vitesses à partir de courbes, comparer les t1/2 avec des valeurs lues : un t1/2 plus petit signifie une transformation plus rapide.
On lit, pour chaque courbe, l'abscisse du point d'ordonnée 0,20 mol⋅L−1 :
- à 20 °C : t1/2≈170 jours ;
- à 30 °C : t1/2≈100 jours ;
- à 35 °C : t1/2≈80 jours.
Plus la température est élevée, plus le temps de demi-réaction est court.
La température est un facteur cinétique : quand elle augmente, la dégradation des ions ClOX− est plus rapide.
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Q15Justifier la recommandation « à conserver au frais ».
À basse température, la réaction de dégradation des ions hypochlorite est plus lente (Q14) : la concentration en ClOX−, espèce active de l'eau de Javel, diminue moins vite.
Au frais, l'eau de Javel garde plus longtemps ses propriétés antiseptiques.
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Q16Justifier que la conservation de la bouteille (ouverte depuis 18 mois, à 20 °C) peut expliquer la faible quantité de gaz produite lors de l'accident.
Données utiles C0=0,40 mol⋅L−1 ; Vm=24 L⋅mol−1 ; 1 L d'eau de Javel
18 mois représentent environ 18×30=540 jours.
Sur la courbe « 20 °C » du document 3, à t=540 jours, on lit C≈0,045 mol⋅L−1, soit environ 9 fois moins que C0.
Le litre d'eau de Javel n'apporte plus que 0,045 mol d'ions ClOX−, donc 0,045 mol de HClO, le réactif limitant. Le volume de dichlore formé est au plus 0,045×24≈1,1 L.
L'eau de Javel, dégradée, contenait environ 9 fois moins d'ions ClOX− : il s'est formé environ 1 L de ClX2 au lieu de 9,6 L.
C≈0,045t=540 jC (mol⋅L−1)t (jour) Courbe « 20 °C » du document 3, lue à 18 moisTu avais trouvé ?
Eau de Javel et acide : un exercice de chimie complet
Le premier exercice du bac 2024 Asie Jour 1, noté sur 9 points, s'appuie sur une situation concrète : un mélange accidentel d'eau de Javel et d'acide chlorhydrique, qui libère du dichlore, un gaz toxique. En seize questions, il mobilise une grande partie du programme de chimie de terminale : réactions acide-base, oxydoréduction, préparation de solutions, titrage pH-métrique et cinétique. C'est un sujet long, qui récompense la régularité plus que l'astuce.
Les passages clés, question par question
Q1 à Q3 : le couple HClO/ClO-
Le diagramme de prédominance se construit autour de pH = pKA = 7,5 : l'acide HClO prédomine en dessous, la base ClO- au-dessus. L'eau de Javel, de pH compris entre 11,5 et 12,5, contient donc surtout des ions hypochlorite. Dans le mélange de pH voisin de 0, le rapport [ClO-]/[HClO] vaut 10pH - pKA, environ 3 × 10-8 : les ions hypochlorite ont presque tous été transformés en acide hypochloreux.
Q4 à Q7 : la formation du dichlore
Il faut écrire les demi-équations des couples Cl2/Cl- et HClO/Cl2 en milieu acide, puis les combiner pour retrouver l'équation donnée. Avec 0,40 mol de HClO, réactif limitant, et une stœchiométrie de 1 pour 1, on obtient 0,40 mol de dichlore, soit 9,6 L avec un volume molaire de 24 L/mol.
Q8 à Q12 : vérifier l'étiquette de l'acide
À partir du titre massique (23 %), de la masse volumique et de la masse molaire, on estime la concentration en ions oxonium à environ 7,1 mol/L. On prépare ensuite une solution diluée 500 fois : 2,0 mL prélevés à la pipette jaugée, complétés à 1,0 L en fiole jaugée. La question ouverte Q12 exploite la courbe de titrage : le maximum de la dérivée donne VE = 14,0 mL, d'où CS = 1,4 × 10-2 mol/L, puis Ca = 7,0 mol/L, en accord avec l'étiquette.
Q13 à Q16 : la dégradation de l'eau de Javel
Le temps de demi-réaction se lit à l'ordonnée C0/2 = 0,20 mol/L : environ 170 jours à 20 °C, 100 jours à 30 °C et 80 jours à 35 °C. La température est donc un facteur cinétique, ce qui justifie la consigne « à conserver au frais ». La dernière question relie tout l'exercice : après 18 mois, soit environ 540 jours à 20 °C, la concentration en ions hypochlorite n'est plus que d'environ 0,045 mol/L, ce qui limite le volume de dichlore à environ 1 L au lieu de 9,6 L.
Les pièges à éviter
Plusieurs erreurs reviennent sur ce type de sujet. En Q4, on oublie le coefficient 2 devant HClO. En Q6, on divise à tort par 2 parce que Cl2 contient deux atomes de chlore, alors que seuls les nombres stœchiométriques comptent. En Q8, on garde 23 au lieu de 0,23 pour le titre massique. En Q11, on cite une éprouvette au lieu de la verrerie jaugée. En Q12, on compare la concentration de la solution diluée à l'étiquette en oubliant le facteur 500. En Q13, enfin, on divise l'axe des temps par deux au lieu de diviser la concentration.
Conseils pour réussir
Pour les questions ouvertes, annoncez les étapes de votre démarche : lecture du volume équivalent, relation à l'équivalence, prise en compte de la dilution, comparaison. Une démarche claire rapporte des points même si le calcul n'aboutit pas. Pour les lectures graphiques, tracez les traits de construction et donnez des valeurs lues : un ordre de grandeur suffit pour conclure en Q16. Le corrigé détaillé reprend chaque question avec la méthode, les calculs et les erreurs fréquentes, pour vous entraîner dans les conditions de l'épreuve.