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 :

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 : x_f=0 et τ=x_f/x_max=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 x_f et le taux d’avancement sera non nul. Pour résumer :

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

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

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 1^ère 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 :

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

Cette valeur est à comparer à x_max = 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 = x_f/x_max

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

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.m_p+(A-Z).m_n-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 :

E_l= 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=E_l/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 -E_l/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 E_l^f – ΣE_lⁱ

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 = m_i – m_f

Articles complémentaires :

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• Les effets biologiques de la radioactivité I : les effets à court terme
• Les effets biologiques de la radioactivité II : les effets à long terme
• La radioactivité 2-protons : un quatrième type de radioactivité
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