« Réactions acido-basiques en solution aqueuse » : ce qu’il faut retenir

Le dernier paragraphe de la seconde partie du programme de TS traite des réactions basiques en solution, voici ce qu’il faut en retenir (les phrases en gras sont les extraites du programme) :

Savoir que Ke est la constante d’équilibre associée à l’équation de la réaction d’autoprotolyse de l’eau.

L’autoprotolyse de l’eau est la capacité de l’eau à réagir sur elle-même. L’eau est à la fois une base et un acide : on trouve H2O dans H3O+/ H2O et HO-/H2O. 2 molécules d’eau peuvent donc échanger un proton ce qui donne :

2 H2O = H3O+ + HO-

Cet équilibre est toujours présent en solution aqueuse et est caractérisé par une constante de réaction : Ke=[H3O+].[HO-] où Ke=10-14

Connaissant la valeur du pH d’une solution aqueuse, dire si elle est acide, basique ou neutre.

C’est une compétence de collégien ! Une solution dont le pH est inférieur à 7 est acide, tandis qu’une solution dont le pH est supérieur à 7 est basique. Une solution neutre est une solution dans laquelle pH=7.

À partir de la concentration molaire des ions H3O+ ou OH-, déduire la valeur du pH de la solution.

Si [H3O+] est donné, on utilise pH=-log([H3O+]). Sinon, on utilise la relation Ke=[H3O+].[HO-], qui est toujours vérifiée, et [H3O+]=Ke/[HO-] donc pH=-log(Ke/[HO-]).

Associer la constante d’acidité KA à l’équation de la réaction d’un acide sur l’eau.

Un acide AH réagit avec l’eau pour former sa base conjuguée A- et un ion oxonium H3O+ :

AH + H2O = A- + H3O+

La constante de cette réaction est Ka qui vaut donc :

Ka= [A-][H3O+]/[AH]

Déterminer la constante d’équilibre associée à l’équation d’une réaction acido-basique à l’aide des constantes d’acidité des couples en présence.

Envisageons la réaction acido-basique mettant en jeu 2 couples :

A1H + A2- = A1- + A2H

Sa constante de réaction est K= [A1-].[A2H]/[A1H].[A2-] Dans ce quotient, on peut introduire en haut et en bas [H3O+] : K= [A1-].[H3O+].[A2H]/[A1H].[H3O+].[A2-] On reconnait alors Ka1 et Ka2, de sorte que :

K= Ka1/ka2

Connaissant le pH d’une solution aqueuse et le pKA du couple acide/base indiquer l’espèce prédominante; application aux indicateurs colorés.

De la relation Ka= [A-][H3O+]/[AH], il découle pH=pKa+log([A-]/[AH]). Ainsi, s’il y a plus de A- que de AH dans la solution, le pH est supérieur à pKa, si c’est AH qui prédomine, alors le pH est inférieur à pKa. L’inverse est également vrai : si le pH est supérieur à pKa, alors il y a plus de A- que de AH et si le pH est inférieur à pKa, alors c’est AH qui prédomine. Cela se résume par le diagramme de prédminance :

Les indicateurs colorés sont des espèces chimiques dont la forme acide et la forme basique n’ont pas la même couleur en solution. Ainsi, lors d’un dosage, on utilisera l’indicateur coloré dont la zone de virage correspond à la variation de pH lors de l’équivalence :

 

« Etat d’équilibre d’un système » : ce qu’il faut retenir

Continuons avec les compétences exigibles du programme de TS de chimie. Le second chapitre de la partie B s’intitule « Etat d’équilibre d’un système », voici ce qu’il faut en retenir :

Utiliser la relation liant la conductance G aux concentrations molaires effectives [Xi] des ions Xi en solution.

Cela relève du programme de 1ère S, voir l’article que faut-il retenir du programme de 1ère S ? à ce propos.

Savoir que, lorsque l’état d’équilibre du système est atteint, les quantités de matière n’évoluent plus, et que cet état d’équilibre est dynamique.

Contrairement à ce qui a été enseigné jusque là, une réaction ne s’arrête pas lorsqu’il n’y a plus de réactifs. En effet, une réaction a lieu simultanément dans les deux sens. C’est pourquoi on parle d’équilibre chimique et que la flèche → se fait remplacer par un =. Ainsi, partant d’un état hors équilibre, le système évolue jusqu’à un état d’équilibre où réactifs et produits interagissent en permanence (aspect dynamique de l’équilibre). Cependant les quantités de matière cessent d’évoluer dans cet état d’équilibre.

En disposant de l’équation d’une réaction, donner l’expression littérale du quotient de réaction Qr.

Pour décrire cet équilibre, on a besoin de se munir d’un nouvel outil. Il s’agit du quotient de réaction Qr :

aA + bB = cC + dD

le quotient de réaction est Qr = [C]c[D]d/[A]a [B]b

Attention : cette expression est valable pour les solutés. Pour les solvants, les solides et les gaz, on remplace leurs concentrations par 1. Ainsi, pour la réaction de dissolution du chlorure de sodium :

NaCl(s) → Na+(aq)+Cl-(aq)

Qr = [Na+(aq)][Cl-(aq)]

D’où l’importance de ces petits (aq), (s), (l) et autres (g) qui permettent de montrer l’état physique des espèces chimiques considérées.

Savoir que le quotient de réaction dans l’état d’équilibre d’un système, Qr,éq, prend une valeur, indépendante de la composition initiale, qui est la constante d’équilibre associée à l’équation de la réaction.

Le quotient de réaction tend vers une valeur qui ne dépend que de la réaction lorsque le système chimique tend vers son état d’équilibre. Cette valeur notée K est la constante d’équilibre associée à l’équation de la réaction :

Qr → Qr,éq=K indépendante des conditions initiales

Savoir que, pour une transformation donnée, le taux d’avancement final dépend de la constante d’équilibre et de l’état initial du système.

S’il est vrai que le quotient de réaction dans l’état final Qr,éq est indépendant des conditions initiales, il n’en est pas de même du taux d’avancement final. En effet, celui-ci dépend de la façon dont le système évolue. Imaginons que nous partions d’un système déjà à l’équilibre : Qr,i = Qr,éq. Alors le taux d’avancement est nul (x reste à 0, le système n’évolue pas : xf=0 et τ=xf/xmax=0). Tandis que si l’on part d’une situation où Qr,i = 0 (parce qu’il n’y a pas de produits initialement), le système va évoluer de sorte à avoir Qr,f = Qré,q. L’avancement va donc évoluer vers une valeur xf et le taux d’avancement sera non nul. Pour résumer :

Qr,i → Qr,éq=K indépendant des conditions initiales (Qr,i)

x=0 → xf qui dépend des conditions initiales (Qr,i) et de K

« La réaction a lieu dans les deux sens » : ce qu’il faut retenir

Le premier chapitre de la partie B du programme de chimie s’intitule « Une transformation chimique n’est pas toujours totale et la réaction a lieu dans les deux sens », voici ce qu’il faut en retenir :

Définir un acide ou une base selon Brønsted.

C’est de l’ordre de la révision de 1ère S. Un acide est une espèce chimique susceptible de céder un ou plusieurs ion H+ ( du type AH, par exemple) tandis qu’une base est une espèce chimique susceptible de capter un ou plusieurs ion H+ (du type A-)

Ecrire l’équation de la réaction associée à une transformation acido-basique et identifier dans cette équation les deux couples mis en jeu.

D’une manière générale, pour 2 couples A1H/A1- et A2H/A2-, une réaction acido-basique entre A1H et A2- sera du type :

A1H + A2- = A1- + A2H

Connaître la définition du pH pour les solutions aqueuses diluées.

pH=-log([H3O+] ) ↔ [H3O+] = 10-pH
Ex : [H3O+] = 10-2 mol/L ↔ pH=2

Connaissant la valeur de la concentration et du pH d’une solution d’acide, calculer l’avancement final de la réaction de cet acide sur l’eau et le comparer à l’avancement maximal.

Ah, chic, ça se complique un peu. D’une manière générale, l’équation de dissolution d’un acide dans l’eau et le tableau d’avancement correspondant est :

x AH + H2O → A- + H3O+
Ei x=0 cV solvant 0 0
Eint x cV-x solvant x x
Ef xf cV-xf solvant xf xf
Emax xmax = cV 0 solvant cV cV

On voit que la quantité d’H3O+ est xf et donc que [H3O+] =xf /V. Ainsi, connaissant le pH, on peut calculer xf = [H3O+].V =10-pH.V

Cette valeur est à comparer à xmax = cV, elle est généralement plus petite.

Connaître la définition du taux d’avancement final et le déterminer à partir d’une mesure.

Le taux d’avancement final est le rapport entre l’avancement final (réel) et l’avancement maximal (théorique, tel qu’on a appris à le calculer en seconde) :

τ = xf/xmax

Dans le calcul précédent, on trouverait τ = 10-pH/c.

Réactions nucléaires : ce qu’il faut retenir

Dans l’article Objectif Bac 2008, j’insistais sur les compétences et savoir-faire exigible du programme de physique-chimie de terminale, base essentielle sur laquelle doit se baser tout le travail de l’année. Pour la partie « physique nucléaire », voici ce qu’il faut retenir :

Définir et calculer un défaut de masse et une énergie de liaison.

Défaut de masse et énergie de liaison sont définis pour un noyau. Le défaut de masse est la différence entre la masse du noyau et la masse des particules qui le constitue. En effet, aussi surprenant que cela puisse paraître, un noyau est plus léger que la somme des masse des particules qui le constitue :

Δm=Z.mp+(A-Z).mn-m(noyau)

Ainsi défini, ce défaut de masse est positif. Il s’interprète physiquement, en utilisant la célèbre formule d’Einstein qui relie la masse à une énergie, comme l’énergie de liaison :

El= Δm.c2

qui est l’énergie à fournir au noyau pour le « briser » en ses différents constituants (les nucléons).

Définir et calculer l’énergie de liaison par nucléon.

Cette énergie de liaison croît avec le nombre de nucléon impliqué dans le noyau. Ainsi les gros noyaux ont une énergie de liaison supérieure aux plus petits noyaux alors qu’ils sont plus facile à « briser ». Ainsi, la grandeur pertinente pour décrire la stabilité d’un noyau n’est pas l’énergie de liaison mais l’énergie de liaison rapportée au nombre de nucléon, c’est à dire la quantité d’énergie à fournir à chaque nucléon pour « briser » le noyau :

énergie de liaison par nucléon=El/A

Savoir convertir des J en eV et réciproquement.

Dans les calculs d’énergie en physique nucléaire, on se rend compte que le joule est une unité trop « grande » par rapport à ce qu’on calcule : l’énergie de liaison d’un noyau d’Hélium est de 4,54.10-12 J. On exprime donc ces grandeurs dans une unité plus adaptée : l’électron-volt qui est l’énergie d’un électron soumis à un potentiel de 1V. Pour la conversion, il faut retenir que 1 eV = 1,60.10-19 J. Cette valeur est généralement donnée dans les énoncés. Ainsi, l’énergie de laison du noyau d’Hélium est de 28,4 MeV où M se lit Mega et 1 MeV=106 eV. On peut retenir qu’en gros les énergies dégagées par les réactions chimiques sont de l’ordre de l’eV, tandis que les énergies des réactions nucléaires sont de l’ordre du MeV.

Connaître la relation d’équivalence masse-énergie et calculer une énergie de masse.

Il s’agit de la fameuse relation d’Einstein qui relie la masse à l’énergie. Lors d’une réaction nucléaire, l’énergie dégagée par la réaction est :

ΔE = Δm.c2

Où Δm est la perte de masse due à la réaction nucléaire.

Commenter la courbe d’Aston pour dégager l’intérêt énergétique des fissions et des fusions.

La courbe d’Aston représente -El/A :

Les réactions nucléaires de fusion combinent des petits noyaux tandis que dans la fission, ce sont de gros noyaux qui sont « brisés » en plus petits. Dans les deux cas, l’énergie de liaison par nucléons des nouveaux noyaux est supérieure (attention au moins) de sorte qu’ils sont plus stables (il faut leur fournir plus d’énergie pour les briser).

Définir la fission et la fusion et écrire les équations des réactions nucléaires en appliquant les lois de conservation.

Les lois de conservations sont les lois de Soddy, comme dans le cas de la radioactivité : le nombre de charge (Z) et le nombre de nucléons (A) se conservent dans les réactions nucléaires.

A partir de l’équation d’une réaction nucléaire, reconnaître le type de réaction.

Dans une réaction de fusion, 2 petits noyaux (au moins) fusionnent pour donner de plus gros noyaux.
Ex : 3H+2H → 4He + 1n
ici, un noyau de tritium fusionne avec un noyau de deutérium pour former un noyau d’Hélium et un neutron.

Dans une réaction de fission, c’est un gros noyau qui « perturbé » par un neutron va se briser en plusieurs petits noyaux :
Ex : 235U+1n → 94Sr + 140Xe + 2 1n + γ
Ici, un noyau d’uranium va, sous l’influence d’un neutron, se fissionner en un noyau de strontium, un noyau de Xenon et 2 neutrons. Le signe γ signifie que cette fission s’accompagne de l’émission d’un rayonnement électromagnétique de haute énergie.

Faire le bilan énergétique d’une réaction nucléaire en comparant les énergies de masse.

Il y a 2 possibilités pour le calcul de l’énergie dégagée par une réaction nucléaire. On peut soit utiliser les énergies de liaisons, soit utiliser la perte de masse liée à la réaction nucléaire.

Dans le premier cas, l’énergie dégagée est égale à la différence entre les énergies de liaison finales moins les énergies de liaisons initiales :

ΔE = Σ Elf – ΣEli

Dans le second cas, l’énergie est égale à la perte de masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré :

ΔE = Δm.c2 où Δm = mi – mf

Articles complémentaires :

Un gaz à 2 000 000 °C trahi par son rayonnement !

Cet article de Techno-science nous apprend que

La célèbre nébuleuse d’Orion abrite en son sein une énorme bulle de gaz très ténu, d’une température de 2 millions de degrés. C’est ce qu’a découvert une équipe internationale menée par des chercheurs suisses et du Laboratoire d’Astrophysique de Grenoble (CNRS/Université Joseph-Fourier) grâce au satellite européen XMM-Newton. Cette température est tellement élevée que le gaz émet non pas dans le domaine visible, mais dans celui des rayons X, domaine d’investigation du satellite XMM, lancé par l’Agence Spatiale Européenne en 1999. Ces résultats sont publiés en ligne le 30 novembre 2007 sur Science Express.

Il s’agit d’une parfaite illustration de ce qui est enseigné en classe de seconde sur la relation entre la température et le spectre de la lumière émis par un corps chaud. En effet, plus la température d’un corps est grand plus son spectre de lumière émis s’enrichit en courte longueur d’onde.

Rappelons que le spectre du visible est entouré des ondes infrarouges et des ondes ultraviolettes comme le montre le schéma ci-dessous :

Ainsi, à 37 °C, un corps humain émet dans les infra-rouge. Ce rayonnement n’est pas visible par l’oeil humain. Par contre, certains animaux ont des capteurs de rayonnement infrarouge qui leur permettent de détecter leur proies dans le noirs (certains serpents et les moustiques ce qui leur permet de savoir où piquer). Certaines caméras permettent de nous révéler ce rayonnement :

Un Fer chauffé à 800-900 °C émet une lumière rouge caractéristique :

A plus haute température, on dit qu’il est chauffé à blanc :

Son spectre contient toutes les longueurs d’onde du visible et apparaît blanc. Lorsque la température augmente encore, le spectre s’enrichit de plus en plus en courte longueur d’onde, donnant une teinte de plus en plus bleu. La mesure du spectre des étoiles nous permet de cette façon de connaitre la température de surface de l’étoile. Sur la photo ci-dessous, on voit clairement que les étoiles les plus chaudes (celles du haut) sont plus lumineuses dans le bleu :

Enfin, l’article cité au début de ce billet évoque des gaz ayant une température de l’ordre du million de degré découverts grâce à son rayonnement dans les rayons X.

Une centrale nucléaire peut-elle exploser comme une bombe nucléaire ?

Explications en vidéo


Une centrale nucléaire peut-elle exploser comme… par lewebpedagogique

Centrales nucléaires et bombes nucléaires ont en commun de tirer parti de l’extraordinaire énergie contenue dans le noyau des atomes à travers des réactions nucléaires de fission (voir les articles « Ce produit est constitué de 99,999999 % de vide » et « Ce produit contient l’équivalent de 21 000 tonnes de TNT« ). On distingue 2 types de réactions nucléaires : la fusion et la fission. Dans la fusion, 2 petits noyaux se réunnissent pour former un gros noyau alors que dans la fission, c’est un gros noyau qui se désintègre en plusieurs petits noyaux : généralement 2 noyaux + 2 ou 3 neutrons comme on peut le voir sur la figure ci-contre où un noyau d’Uranium 236 (contenant 236 particules) se désintègre pour former un noyau de Krypton , de Baryum 141 et 3 neutrons. L’Uranium 236 est un isotope de l’Uranium : il contient 92 protons (comme tous les noyaux d’uranium) et 236-92 = 144 neutrons. On ne le trouve pas naturellement dans la nature puisque les minerais d’uranium sont constitués à 99,3 % d’Uranium 238 (92 protons et 146 neutrons) et 0,7 % d’Uranium 235 (92 protons et 143 neutrons). Pour former un noyau d’Uranium 236, il faut qu’un noyau d’Uranium 235 capte un neutron comme cela est indiqué sur la figure ci-dessous :

Réaction en chaîne

Ainsi, la réaction nucléaire au coeur d’une centrale nucléaire comme d’une bombe nucléaire est du type :

1 noyau d’Uranium 235 + 1 neutron → 2 noyaux plus petits + 2 à 3 neutrons

Supposons que 2 neutrons émis par la désintégration d’un noyau d’Uranium 235 rencontrent 2 noyaux d’uranium 235. Ceux-ci vont à nouveau se désintégrer donnant naissance à 2×2=4 nouveaux neutrons eux-mêmes susceptibles de rencontrer 4 autres noyaux d’uranium 235 qui eux-même vont produire 4×2=8 nouveaux neutrons susceptible de continuer le processus (voir le schéma ci-contre) : c’est une réaction en chaîne. Sachant qu’à chaque fois que ce processus à lieu, il libère une très grande énergie, on comprend qu’une réaction nucléaire libère une quantité colossale d’énergie en un temps extrêmement court : 10 kg d’Uranium 235 sont complètement désintégrés en seulement 84 étapes comme celle qui vient d’être décrite !

Masse critique

L’emballement ou non de la réaction dépend de la rencontre ou non entre les noyaux produits par la désintégration  et d’autres noyaux d’Uranium 235. S’il n’y a pas assez de noyaux d’Uranium 235, les neutrons produits vont pouvoir s’échapper de l’échantillon d’uranium 235 et la réaction en chaîne ne se fera pas. Il y a donc une masse critique d’uranium 235 pour laquelle la réaction en chaîne se réalise. En théorie cette masse est de 200 kg d’Uranium 235. Durant la seconde guerre mondiale, il n’était pas possible de réunir une telle masse d’uranium 235 et les scientifiques Nazis ont renoncé à développer une bombe nucléaire pour cette raison. Cependant, le groupe de chercheur réuni par le gouvernement Américain à Los Alamos pour élaborer la bombe nucléaire réussirent à réduire cette masse critique en entourant l’uranium 235 de réflecteur à neutrons, renvoyant les neutrons émis vers le centre du « combustible ». Cela leur permit de réduire la valeur de la masse critique à 15 kg d’Uranium 235.

Enrichissement de l’uranium

Comme nous l’avons vu, à l’état naturel, les minerais d’Uranium sont constitué à seulement 0,7 % d’Uranium 235. Cette concentration est bien trop faible pour initier la réaction en chaîne. Il est nécessaire d’enrichir l’Uranium pour augmenter la concentration en Uranium 235. Pour un usage militaire (dans les bombes nucléaires), il faut 80 % d’Uranium 235. L’enrichissement de l’uranium est très complexe, très long et très coûteux, il est nécessaire de séparer les noyaux d’Uranium 235 des noyaux d’Uranium 238. C’est la raison pour laquelle, bien que la technologie des bombes nucléaires soit relativement simple à comprendre sur le papier, tous les pays ne sont pas capables de construire une bombe nucléaire. La photo ci-contre montre un des instrument retrouvé en Irak qui permet d’enrichir l’uranium.

Dans les centrales nucléaires, pour que la réaction nucléaire ne s’emballent pas, on fait en sorte que les neutrons produis par la désintégration d’un noyau ne rencontre pas plus d’un noyau d’Uranium 235. Pour cela, on utilise un minerai à 3 % seulement et on ralentit les neutrons à l’aide d’un modérateur (de l’eau ou de l’eau lourde et des barres de carbones graphites) comme on peut le voir sur la photo ci-contre, où les barres de combustibles (à droite) sont au fond d’une piscine. Les neutrons produit par la réaction nucléaire sont ralentis par l’eau et empêche l’emballement de la réaction. En effet, en cas d’erreur de manipulation et d’emballement de la réaction, la lenteur des neutrons limite la taille de l’explosion. A une température de quelques milliers de degrés, les atomes bougent plus vite que les neutrons et ceux-ci ne leur rentrent plus dedans : la réaction en chaine est stoppée. L’énergie produite peut effectivement faire exploser le réacteur mais à des niveaux d’énergie comparable à celle des explosions conventionnelles, c’est à dire des millions de fois plus petite qu’une explosion nucléaire. Contrôler une centrale nucléaire n’est pas du tout identique à contrôler une bombe nucléaire (par construction incontrôlable une fois la réaction en chaine activée).

Il y a bien de réels dangers dans l’utilisation des réacteurs nucléaires (dont celui de la fonte du réacteur en cas de fuite sur le système de refroidissement, avec le risque de dispersion de matériaux radioactifs dans l’environnement) mais une explosion du type bombe nucléaire n’en fait pas parti.

Et le plutonium ?

La fusion de noyaux de Plutonium est également utilisée dans les bombes nucléaires. Celle-ci est plus efficace que celle de l’uranium car elle produit plus de neutrons. La masse critique de Plutonium est donc plus faible que celle d’Uranium : 5 kg de Plutonium suffit là il en fallait 15 avec l’Uranium (en 1945, la bombe qui a explosé sur Hiroshima était une bombe à Uranium tandis que celle qui a explosé à Nagasaki était une bombe à Plutonium). Parmi les déchets de combustible des réacteurs nucléaires, on trouve beaucoup de Plutonium. En effet, lorsque l’uranium 238 (qui constitue la majorité des barres de combustible) est frappé par un neutron, il se transforme en noyau d’Uranium 239, élément radioactif (temps de demi-vie de 23 min) qui se désintègre en Neptunium 239, lui-même radioactif (demi-vie 2,3 jours) pour donner les fameux noyaux de plutonium 239.

Ainsi, l’enjeu du nucléaire civil dépasse bien souvent le simple accès aux ressources énergétique car lorsqu’un pays se dote d’une centrale nucléaire, il se munit par la même occasion d’une source de Plutonium, susceptible d’être recyclé à des fins militaires : la frontière entre nucléaire civil et nucléaire militaire est ténue comme l’illustre cet extrait d’un article publié dans le monde du 16 Novembre 2007 :

Le rapport remis, vendredi 16 novembre, par le directeur de l’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA), Mohamed El Baradei, ne permet pas de savoir si le programme nucléaire iranien est civil ou militaire. Guetté comme une étape cruciale dans la crise diplomatique autour du nucléaire iranien, le rapport que le directeur de l’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA), Mohamed El Baradei, a remis, vendredi 16 novembre, est un document lourd d’ambiguïtés, susceptible de donner lieu à des interprétations divergentes, et donc d’attiser les tiraillements à l’ONU à propos de nouvelles sanctions contre Téhéran.