Chimie générale : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 14 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Stœchiométrie

Moles: n = m/M
Concentration: c = n/V
Rapport molaire: utiliser les coefficients de l’équation équilibrée
Réactif limitant: celui qui s’épuise en premier
Rendement: réel / théorique × 100%

Méthode

Écrivez et équilibrez l’équation chimique.
Convertis la masse donnée en moles : n = m/M.
Utilisez les coefficients comme rapport molaire pour trouver la quantité de matière de l’espèce cherchée.
Revenez à la masse avec m = n·M. Avec deux réactifs, trouvez d’abord le réactif limitant.

Molarité et dilution

Molarité: c = n/V (mol/L)
Moles: n = m/M
Dilution: c₁V₁ = c₂V₂
Mélange: c = (c₁V₁ + c₂V₂)/(V₁ + V₂)

Méthode

Convertissez la masse en moles avec n = m/M.
Convertissez le volume en litres.
Concentration molaire c = n/V en mol/L.
Lors d’une dilution, la quantité de matière ne change pas : c₁V₁ = c₂V₂.

Loi des gaz parfaits

Loi des gaz parfaits: pV = nRT
Constante des gaz parfaits: R = 8,314 J/(mol·K)
Loi combinée des gaz: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Moles: n = m/M
Température: T[K] = T[°C] + 273,15

Calorimétrie et enthalpie

Chaleur: q = m·c·ΔT
Eau: c = 4,18 J/(g·°C)
Calorimètre: chaleur cédée = chaleur reçue
Enthalpie de réaction: ΔH° = ΣΔH°_f(products) − ΣΔH°_f(reactants)

Équilibre chimique

Constante d’équilibre: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
Tableau ICE: Initial, Changement (×coefficient), Équilibre
Équation du second degré: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Méthode

Écrivez K_c avec les produits au numérateur et les réactifs au dénominateur, chacun élevé à la puissance de son coefficient.
Dressez un tableau d’avancement : état initial, variation (par pas de x fois les coefficients), équilibre.
Remplacez les expressions à l’équilibre dans K_c et résolvez pour x.
Vérifiez si x est assez petit pour une approximation ; sinon, résolvez l’équation du second degré.

pH et tampons

pH: pH = −log[H⁺]
pOH: pOH = −log[OH⁻], pH + pOH = 14
Acide faible: [H⁺] ≈ √(K_a·c)
Tampon: pH = pK_a + log([A⁻]/[HA])
Dilution: c₁V₁ = c₂V₂

Méthode

Déterminez si l’acide ou la base est fort (totalement dissocié) ou faible.
Acide fort : [H⁺] est égal à sa concentration. Base forte : trouvez d’abord [OH⁻].
Acide faible : résolvez K_a = x²/(c − x) pour x = [H⁺].
pH = −log[H⁺], et pH + pOH = 14 à 25 °C.

Cinétique chimique

Ordre 1: ln(C_A/C_A0) = −kt
Demi-vie (ordre 1): t_½ = ln 2/k
Ordre 2: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Arrhenius: k = A·e^−E_a/(RT)
Deux températures: ln(k₂/k₁) = (E_a/R)(1/T₁ − 1/T₂)

2Exercices

1.StœchiométrieMoyen

24 g de CH₄ et 24 g de O₂ réagissent selon CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Quelle masse m de H₂O peut se former ?

M(CH₄) = 16,04M(O₂) = 32M(H₂O) = 18,02 g/mol

m = g

2.StœchiométrieDifficile

Dans la réaction CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O, 16 g de CH₄ réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 38,63 g de CO₂. Calcule le rendement Y.

M(CH₄) = 16,04 g/molM(CO₂) = 44,01 g/molréel: 38,63 g

Y = %

3.Molarité et dilutionMoyen

Il vous faut 200 mL de solution à 0,3 mol/L et vous disposez d’une solution mère à 6 mol/L. Quel volume d’eau V_water ajoutez-vous à la solution mère ?

c₁ = 6 mol/Lc₂ = 0,3 mol/LV₂ = 200 mL

V_water = mL

4.Molarité et dilutionDifficile

On mélange 150 mL d’une solution à 1,5 mol/L avec 500 mL d’une solution à 0,3 mol/L de la même substance. Trouvez la concentration c du mélange (les volumes sont additifs).

c₁ = 1,5 mol/LV₁ = 150 mLc₂ = 0,3 mol/LV₂ = 500 mL

c = mol/L

5.Loi des gaz parfaitsMoyen

Un réservoir de 10 L contient 90 g de CO₂ à 25 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 90 gM = 44,01 g/molV = 10 LT = 25 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Loi des gaz parfaitsDifficile

Trouvez la masse volumique ρ de N₂ à 850 kPa et 140 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 28,01 g/molP = 850 kPaT = 140 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.Calorimétrie et enthalpieMoyen

Un bloc en plomb de 50 g (c = 0,129 J/(g·°C)) à 80 °C est plongé dans 200 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 24 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale T_f.

m_metal = 50 gc_metal = 0,129 J/(g·°C)T_metal = 80 °Cm_water = 200 gT_water = 24 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

8.Calorimétrie et enthalpieDifficile

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver ΔH° de la réaction C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C₆H₁₂O₆) = −1274 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

ΔH° = kJ

9.Équilibre chimiqueMoyen

On introduit 0,8 mol/L de H₂ et 0,8 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec K_c = 25. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LK_c = 25

[HI] = mol/L

10.Équilibre chimiqueDifficile

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec K_c = 0,1 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,8 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LK_c = 0,1

[PCl₅] = mol/L

11.pH et tamponsMoyen

Calcule le pH pH d'une solution de acide formique à 0,5 mol/L (Ka = 0,00018).

c = 0,5 mol/LKa = 0,00018

pH =

12.pH et tamponsDifficile

Un tampon de 1,00 L contient 0,2 mol d'acide benzoïque et 0,2 mol de sa base conjuguée (Ka = 6,3 × 10⁻⁵). On ajoute 0,05 mol de NaOH. Calcule le nouveau pH pH.

n(HA) = 0,2 moln(A⁻) = 0,2 moln(OH⁻) = 0,05 molKa = 6,3 × 10⁻⁵

pH =

13.Cinétique chimiqueMoyen

Une réaction d’ordre 2 (−r_A = k·C_A²) dans un réacteur fermé a k = 0,1 L/(mol·min) et part de 0,5 mol/L. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 80 % ? Trouvez t.

k = 0,1 L/(mol·min)C_A0 = 0,5 mol/LX = 80 %

t = min

14.Cinétique chimiqueDifficile

Une réaction a une énergie d’activation de 100 kJ/mol. À 40 °C, elle est trop lente. À quelle température T₂ (en °C) faut-il la chauffer pour la rendre 5 fois plus rapide ?

E_a = 100 kJ/molT₁ = 40 °Ck₂/k₁ = 5R = 8,314 J/(mol·K)

T₂ = °C

3Solutions

1.Stœchiométrie

Réponse: m = 13,52 g

Stœchiométrie : une équation équilibrée compte des particules, pas des grammes. Convertis la masse en moles avec n = m/M, utilise les coefficients de l'équation comme rapport molaire, puis reviens à la masse avec m = n·M. Avec deux réactifs, le réactif limitant est celui qui s'épuise en premier et fixe la quantité de produit formé.

Moles de chaque réactif

n(CH₄) = 24/16,04 = 1,496 mol

n(O₂) = 24/32 = 0,75 mol

Réactif limitant

1,496/1 = 1,496, 0,75/2 = 0,375 → O₂

Masse de produit

n(H₂O) = 0,375·2 = 0,75 mol

m = 0,75·18,02 = 13,52 g

Réponse

m = 13,52 g

2.Stœchiométrie

Réponse: Y = 87,99 %

Rendement théorique

n(CH₄) = 16/16,04 = 0,9975 mol

m = 0,9975·1/1·44,01 = 43,9 g

Rendement

Y = 38,63/43,9·100 = 87,99%

Réponse

Y = 87,99%

3.Molarité et dilution

Réponse: V_water = 190 mL

Molarité : concentration c = n/V en mol/L, avec n = m/M. Diluer ajoute du solvant mais pas de soluté, donc le nombre de moles ne change pas : c₁·V₁ = c₂·V₂. Quand on mélange deux solutions du même soluté, les moles s’additionnent, et les volumes aussi.

Volume de solution mère

V₁ = c₂·V₂/c₁ = 0,3·200/6 = 10 mL

Eau à ajouter

V_water = 200 − 10 = 190 mL

Réponse

V_water = 190 mL

4.Molarité et dilution

Réponse: c = 0,5769 mol/L

Quantité totale

n = 1,5·150 + 0,3·500 = 375 mmol

Concentration du mélange

c = 375/650 = 0,5769 mol/L

Réponse

c = 0,5769 mol/L

5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 506,9 kPa

Loi des gaz parfaits : PV = nRT, avec n = m/M.

Moles

n = m/M = 90/44,01 = 2,045 mol

T = 25 + 273,15 = 298,1 K

Pression

P = nRT/V = 2,045·8,314·298,1/0,01 = 506,9 kPa

Réponse

P = 506,9 kPa

6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 6,931 kg/m³

Masse volumique d’un gaz parfait : ρ = PM/(RT).

Réarranger la loi des gaz

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 140 + 273,15 = 413,1 K

Masse volumique

ρ = 850·28,01/(8,314·413,1) = 6,931 kg/m³

Réponse

ρ = 6,931 kg/m³

7.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: T_f = 24,43 °C

Chaleur et enthalpie : chauffer une substance demande q = m·c·ΔT. Dans un calorimètre, la chaleur cédée par le corps chaud est égale à la chaleur reçue par le corps froid. La variation d’enthalpie d’une réaction se déduit des enthalpies de formation : ΔH° = ΣΔH°f(produits) − ΣΔH°f(réactifs), chacune multipliée par son coefficient.

Bilan thermique

50·0,129·(80 − T_f) = 200·4,18·(T_f − 24)

Isoler la température finale

T_f = (6,45·80 + 836·24)/(6,45 + 836) = 24,43 °C

Réponse

T_f = 24,43 °C

8.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: ΔH° = −2802 kJ

Enthalpie de réaction

ΔH° = [6·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Réponse

ΔH° = −2802 kJ

Négatif : la réaction dégage de la chaleur (exothermique).

9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 1,143 mol/L

Équilibre chimique : pour aA + bB ⇌ cC + dD, la constante d’équilibre est K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b), avec les concentrations à l’équilibre. Un tableau ICE (Initial, Changement, Équilibre) relie les quantités initiales aux quantités à l’équilibre par une seule inconnue x, multipliée par les coefficients.

Expression à l’équilibre

25 = (2x)²/(0,8 − x)²

Prendre la racine carrée

5 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·5/(2 + 5) = 0,5714 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 1,143 mol/L

Réponse

[HI] = 1,143 mol/L

10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl₅] = 0,5628 mol/L

Expression à l’équilibre

0,1 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,1·x − 0,08 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,08))/2 = 0,2372 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,8 − 0,2372 = 0,5628 mol/L

Réponse

[PCl₅] = 0,5628 mol/L

11.pH et tampons

Réponse: pH = 2,027

pH : pH = −log₁₀[H₃O⁺] et pOH = −log₁₀[OH⁻], avec pH + pOH = 14 à 25 °C. Les acides et bases forts s'ionisent complètement. Un acide faible seulement en partie : Ka = x²/(c − x), où x = [H₃O⁺]. Un tampon formé d'un acide faible et de sa base conjuguée suit Henderson–Hasselbalch : pH = pKa + log([A⁻]/[HA]).

Équilibre

HA ⇌ H⁺ + A⁻ : x mol/L d'acide s'ionisent.

Ka = x²/(0,5 − x) → x = 0,009397 mol/L

pH

pH = −log(0,009397) = 2,027

Réponse

pH = 2,027

12.pH et tampons

Réponse: pH = 4,423

Neutralisation

n(HA) = 0,2 − 0,05 = 0,15 mol

n(A⁻) = 0,2 + 0,05 = 0,25 mol

Henderson–Hasselbalch

pH = 4,201 + log(0,25/0,15) = 4,423

Réponse

pH = 4,423

13.Cinétique chimique

Réponse: t = 80 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Concentration finale

C_A = 0,5·(1 − 0,8) = 0,1 mol/L

Loi intégrée d’ordre 2

t = (1/C_A − 1/C_A0)/k = (10 − 2)/0,1 = 80 min

Réponse

t = 80 min

14.Cinétique chimique

Réponse: T₂ = 53,7 °C

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e^−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e^−Ea/(RT).

Température absolue

T₁ = 313,1 K

Isoler T₂ dans Arrhenius

1/T₂ = 1/313,1 − 8,314·ln(5)/100000 = 3,193 × 10⁻³ − 1,338 × 10⁻⁴ = 3,060 × 10⁻³ K⁻¹

T₂ = 326,8 K = 53,7 °C

Réponse

T₂ = 53,7 °C

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