Corrigé interactif · 8 questions
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Q1Représenter les flèches courbes de l'acte élémentaire n° 1 sur l'annexe 2. Indiquer, en justifiant, s'il s'agit d'une substitution, d'une addition ou d'une élimination.
Flèches courbes (voir l'annexe complétée) :
- une flèche part du doublet non liant de l'atome d'azote de NHX3 (site donneur) et pointe vers l'atome de chlore de HO−Cl (site accepteur) : la liaison Cl−N se forme ;
- une flèche part de la liaison O−Cl et pointe vers l'atome d'oxygène : cette liaison se rompt et son doublet devient un doublet non liant de l'ion HOX−.
Sur l'atome de chlore, le groupe HO est remplacé par le groupe NHX3.
L'acte élémentaire n° 1 est une substitution : un groupe d'atomes en remplace un autre.
Annexe 2 complétée : flèches courbes de l'acte élémentaire n° 1Tu avais trouvé ?
Q2Établir l'équation de la réaction modélisée par le mécanisme réactionnel fourni.
Indice Un intermédiaire réactionnel est produit par un acte puis consommé par un autre : il n'apparaît jamais dans l'équation de la réaction. Vérifier ensuite la conservation des éléments et des charges.
On additionne membre à membre les deux actes élémentaires. Les intermédiaires réactionnels ClNHX3X+ et HOX−, formés par l'acte n° 1 et consommés par l'acte n° 2, se simplifient.
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Q3Donner la définition d'un acide au sens de Brönsted.
Un acide au sens de Brönsted est une espèce chimique capable de céder un ion hydrogène HX+.
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Q4Exprimer la constante d'acidité KA du couple acide hypochloreux / ion hypochlorite en fonction des concentrations à l'équilibre et de c∘.
Réaction de l'acide avec l'eau : HClO(aq)+HX2O(l)ClOX−(aq)+HX3OX+(aq)
KA=[HClO]eˊq×c∘[ClOX−]eˊq×[HX3OX+]eˊq
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Q5Calculer le rapport [HClO]eˊq[ClOX−]eˊq lorsque le pH de l'eau de piscine est égal à 7,4.
Données utiles pKA=7,5 ; pH=7,4 ; KA (Q4)
Indice La relation pH=pKA+log[acide][base] donne le même résultat directement ; on la retrouve en prenant le logarithme de KA.
D'après Q4 : [HClO]eˊq[ClOX−]eˊq=[HX3OX+]eˊqKA×c∘, avec KA=10−pKA et [HX3OX+]eˊq=c∘×10−pH.
[HClO]eˊq[ClOX−]eˊq=10pH−pKA=107,4−7,5=10−0,1
[HClO]eˊq[ClOX−]eˊq=0,79
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Q6Montrer que, pour atteindre le seuil cm seuil=2 mg⋅L−1 de « chlore libre », la concentration [ClOX−]eˊq doit être égale à 1,7×10−5 mol⋅L−1.
Données utiles M(HClO)=52,5 g⋅mol−1 ; M(ClOX−)=51,5 g⋅mol−1 ; [HClO]eˊq[ClOX−]eˊq=0,79 ; cm seuil=2×10−3 g⋅L−1
Indice Deux inconnues, deux relations (le rapport et cm) : exprimer une concentration en fonction de l'autre, remplacer, puis isoler l'inconnue avant de passer aux valeurs.
Le rapport donne [HClO]eˊq=0,79[ClOX−]eˊq. On remplace dans la relation de l'énoncé :
cm=[ClOX−]eˊq×(0,79M(HClO)+M(ClOX−))
[ClOX−]eˊq=0,79M(HClO)+M(ClOX−)cm seuil=0,7952,5+51,52×10−3
[ClOX−]eˊq=1,7×10−5 mol⋅L−1 : c'est bien la valeur attendue.
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Q7Indiquer sur le schéma de l'annexe 3 le sens de circulation des électrons dans les fils, le sens du courant d'intensité I et la polarité du générateur.
À l'électrode n° 1, 2HX2O(l)+2eX−HX2(g)+2HOX−(aq) : des électrons sont consommés (réduction). Ils arrivent donc par le fil sur l'électrode n° 1.
À l'électrode n° 2, 2ClX−(aq)ClX2(g)+2eX− : des électrons sont libérés (oxydation). Ils quittent donc l'électrode n° 2 par le fil.
Dans les fils, les électrons circulent de l'électrode n° 2 vers l'électrode n° 1 en traversant le générateur. Le courant circule en sens inverse : il sort du générateur par sa borne +.
Borne − du générateur reliée à l'électrode n° 1, borne + reliée à l'électrode n° 2 ; le courant I va de la borne + vers l'électrode n° 2 et revient de l'électrode n° 1 vers la borne −.
Annexe 3 complétée : sens des électrons, sens du courant et polarité du générateurTu avais trouvé ?
Q8Calculer la durée Δt de l'électrolyse nécessaire pour que la concentration en ions hypochlorite dans l'eau de la piscine atteigne 1,7×10−5 mol⋅L−1.
Données utiles [ClOX−]=1,7×10−5 mol⋅L−1 (Q6) ; V=50 m3 ; I=5,0 A ; NA=6,02×1023 mol−1 ; e=1,6×10−19 C
Indice Électrolyse : 1) quantité de produit voulue ; 2) quantité d'électrons grâce aux équations ; 3) Q=n(eX−)×NA×e ; 4) Δt=Q÷I.
Quantité d'ions hypochlorite à former, avec V=50 m3=5,0×104 L :
n(ClOX−)=[ClOX−]×V=1,7×10−5×5,0×104=0,85 mol
D'après ClX2(g)+2HOX−(aq)ClOX−(aq)+ClX−(aq)+HX2O(l) : une mole de dichlore donne une mole d'ions hypochlorite, donc n(ClX2)=n(ClOX−).
D'après 2ClX−(aq)ClX2(g)+2eX− : la formation d'une mole de dichlore met en jeu deux moles d'électrons, donc n(eX−)=2n(ClX2)=2n(ClOX−)=1,7 mol.
Or Q=I×Δt et Q=n(eX−)×NA×e, donc :
Δt=I2[ClOX−]×V×NA×e=5,02×0,85×6,02×1023×1,6×10−19
Δt=3,3×104 s, soit environ 9,1 h.
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Traitement de l'eau d'une piscine : chimie et électrolyse en 4 points
Le troisième exercice du bac 2026 de physique-chimie aux Antilles (jour 2) compte 4 points et se traite en 42 minutes environ. Il part de la désinfection d'une piscine par l'acide hypochloreux et l'ion hypochlorite, puis montre comment un électrolyseur au sel les produit sur place. Huit questions courtes, mais qui demandent des définitions précises et un calcul final en plusieurs étapes.
Le mécanisme réactionnel (Q1 et Q2)
Sur l'annexe 2, une première flèche courbe part du doublet non liant de l'azote de NH3 et pointe vers le chlore de HO−Cl, qui porte une charge partielle positive parce que l'oxygène est plus électronégatif. Une seconde flèche part de la liaison O−Cl vers l'oxygène. Sur le chlore, le groupe HO est remplacé par NH3 : c'est une substitution. Une flèche courbe part toujours d'un doublet, jamais d'un atome. En additionnant les deux actes élémentaires, les intermédiaires réactionnels se simplifient et l'on obtient NH3 + HClO → NH2Cl + H2O.
Le couple acide hypochloreux / ion hypochlorite (Q3 à Q6)
Un acide de Brönsted est une espèce capable de céder un ion H+. La constante d'acidité s'écrit avec les produits au numérateur, [ClO−][H3O+], divisés par [HClO] et c°, sans faire apparaître l'eau, qui est le solvant. On en déduit le rapport [ClO−]/[HClO] = 10pH − pKa = 10−0,1 = 0,79 : à pH 7,4, légèrement inférieur au pKa de 7,5, l'acide prédomine de peu.
La question 6 combine deux relations : le rapport précédent et la concentration en masse de « chlore libre ». On exprime [HClO] en fonction de [ClO−], on remplace, puis on isole l'inconnue. Avec un seuil de 2 mg/L, converti en 2 × 10−3 g/L pour être cohérent avec les masses molaires, on retrouve [ClO−] = 1,7 × 10−5 mol/L.
L'électrolyseur au sel (Q7 et Q8)
À l'électrode n° 1, l'eau est réduite en dihydrogène : des électrons y arrivent. À l'électrode n° 2, les ions chlorure sont oxydés en dichlore : des électrons en partent. Les électrons circulent donc de l'électrode n° 2 vers l'électrode n° 1 à travers le générateur, dont la borne moins est reliée à la cathode, l'électrode n° 1. Raisonner comme pour une pile est le piège : dans une électrolyse, c'est le générateur qui impose le sens.
Le calcul de durée suit une démarche en quatre temps. Pour 50 m3, soit 5,0 × 104 L, il faut 0,85 mol d'ions hypochlorite. Une mole de dichlore donne une mole d'ions hypochlorite, et sa formation met en jeu deux moles d'électrons : n(e−) = 1,7 mol. Avec Q = n(e−) NA e = I Δt et I = 5,0 A, on obtient Δt ≈ 3,3 × 104 s, soit environ 9,1 h. Oublier le facteur 2 ou la conversion des mètres cubes en litres fausse le résultat.
Conseils
Apprenez les définitions mot pour mot : elles rapportent des points rapides. Pour toute électrolyse, partez des demi-équations pour orienter électrons et courant, puis appliquez la chaîne quantité de produit, quantité d'électrons, charge, durée.