Exercice B - 3. Étude cinétique de la transformat… · Bac Physique-Chimie Métropole 2 remplacement 2022

EXERCICE B. NETTOYAGE DES PLAQUES DE CUISSON (5 points)

Mots-clés: réaction acide-base, titrage, cinétique chimique

Pour nettoyer une plaque de cuisson électrique encrassée, une méthode consiste à déposer, avant de frotter, de l'hydrogénocarbonate de sodium solide (vendu sous le nom de bicarbonate de soude) tout autour des plaques électriques puis à verser du vinaigre ménager.

D'après www.delcourt.fr

Dans cet exercice, on étudie la composition d'un vinaigre ménager, puis la cinétique de sa transformation chimique avec de l'hydrogénocarbonate de sodium.

Nom du produit · Vinaigre ménager 14°

Masse volumique $\rho$ · $1{,}0\text{ g}\cdot\text{mL}^{-1}$

pH · $2{,}2$

D'après http://langle.fr/fiches-securites/6427-test

Figure 1. Fiche sécurité du vinaigre ménager 14°

Données:

numéros atomiques: $Z(\text{H}) = 1$; $Z(\text{C}) = 6$; $Z(\text{O}) = 8$;

masses molaires atomiques en $\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$: $M(\text{H}) = 1{,}00$; $M(\text{C}) = 12{,}0$; $M(\text{O}) = 16{,}0$;

$\text{p}K_A$ du couple acide éthanoïque / ion éthanoate: $\text{p}K_A = 4{,}76$.

3. Étude cinétique de la transformation chimique entre le vinaigre et l'hydrogénocarbonate de sodium

Lorsque le vinaigre ménager entre en contact avec l'hydrogénocarbonate de sodium solide $\mathrm{NaHCO_3(s)}$, une transformation chimique totale et lente a lieu. Elle entraîne la formation de dioxyde de carbone gazeux $\mathrm{CO_2(g)}$ détectable par l'apparition de bulles, qui contribuent à l'action mécanique nettoyante des plaques de cuisson, action d'autant plus efficace que la formation des bulles a lieu dans un temps assez court de l'ordre de quelques minutes. L'équation de la réaction modélisant la transformation chimique entre l'acide éthanoïque et l'hydrogénocarbonate de sodium est:

$\mathrm{CH_3COOH(aq) + NaHCO_3(s) \rightarrow Na^+(aq) + CH_3COO^-(aq) + CO_2(g) + H_2O(\ell)}$

En laboratoire il est possible de suivre cette transformation chimique au cours du temps en recueillant le gaz formé dans une éprouvette graduée retournée initialement remplie d'eau. Pour cela, on réalise l'expérience schématisée ci-dessous à partir d'une masse d'environ $1\text{ g}$ d'hydrogénocarbonate de sodium solide $\mathrm{NaHCO_3(s)}$, ce dernier est versé à la date $t = 0\text{ s}$ dans une centaine de millilitres de vinaigre ménager $14^\circ$ en excès devant l'hydrogénocarbonate de sodium.

Figure 3. Montage permettant de mesurer le volume de dioxyde de carbone recueilli lors de la réaction entre l'acide éthanoïque et l'hydrogénocarbonate de sodium

Les résultats obtenus sont consignés sur le tableau ci-dessous.

Figure 4. Tableau de mesures du volume de dioxyde de carbone recueilli au cours du temps

Temps $t$ (s)

0 · 5 · 10 · 15 · 20 · 25 · 30 · 35 · 40 · 45 · 50 · 55 · 60 · 70 · 80 · 90

$V(\mathrm{CO_2})$ (mL)

0 · 30 · 60 · 84 · 108 · 124 · 138 · 148 · 152 · 156 · 158 · 160 · 160 · 160 · 160 · 160

Donnée:

Volume molaire d'un gaz, dans les conditions de l'expérience: $V_m = 24{,}2\text{ L}\cdot\text{mol}^{-1}$.

Annexe 2. Évolution de la quantité de matière de dioxyde de carbone recueilli au cours du temps

Q9.

Calculer la valeur de la quantité de matière de dioxyde de carbone formé à $30\text{ s}$ puis placer le point correspondant sur l'ANNEXE 2 À RENDRE AVEC LA COPIE.

Q10.

Déterminer, en réalisant une construction sur l'ANNEXE 2 À RENDRE AVEC LA COPIE, le temps de demi-réaction. Commenter ce résultat au regard de l'utilisation qui est faite ici de cette transformation chimique.