Réactifs pour une Réaction de Précipitation
Identifier les réactifs, écrire l'équation et déterminer le réactif limitant pour une réaction de précipitation.
Une réaction de précipitation se produit lorsque deux solutions contenant des ions sont mélangées et que certains de ces ions se combinent pour former un composé solide insoluble, appelé précipité. La formation d'un précipité dépend de la solubilité des composés ioniques formés.
L'équation de la réaction de précipitation montre les réactifs (ions en solution) qui forment le précipité solide. Les ions qui ne participent pas directement à la formation du précipité sont appelés ions spectateurs.
Pour déterminer la quantité de précipité formé, il est essentiel d'identifier le réactif limitant, c'est-à-dire l'ion qui sera entièrement consommé en premier.
Données du Problème
On mélange un volume \(V_1 = 50.0 \text{ mL}\) d'une solution de nitrate de plomb(II), Pb(NO\(_3\))\(_2\), de concentration molaire \(C_1 = 0.20 \text{ mol/L}\), avec un volume \(V_2 = 100.0 \text{ mL}\) d'une solution d'iodure de potassium, KI, de concentration molaire \(C_2 = 0.15 \text{ mol/L}\).
Il se forme un précipité jaune d'iodure de plomb(II), PbI\(_2\)(s).
Masses molaires atomiques :
- Plomb (Pb) : \(M(Pb) = 207.2 \text{ g/mol}\)
- Iode (I) : \(M(I) = 126.9 \text{ g/mol}\)
- Potassium (K) : \(M(K) = 39.1 \text{ g/mol}\)
- Azote (N) : \(M(N) = 14.0 \text{ g/mol}\)
- Oxygène (O) : \(M(O) = 16.0 \text{ g/mol}\)
Questions
- Écrire l'équation de dissolution dans l'eau pour chacun des réactifs solides initiaux : nitrate de plomb(II) Pb(NO\(_3\))\(_2\)(s) et iodure de potassium KI(s).
- Calculer les quantités de matière initiales des ions plomb(II) (Pb\(^{2+}\)) et des ions iodure (I\(^-\)) apportés par chaque solution.
- Écrire l'équation équilibrée de la réaction de précipitation entre les ions plomb(II) et les ions iodure.
- Construire un tableau d'avancement pour la réaction de précipitation.
- Déterminer le réactif limitant et l'avancement maximal (\(x_{max}\)).
- Calculer la masse de précipité d'iodure de plomb(II) (PbI\(_2\)) formé.
- Calculer les concentrations molaires effectives des ions spectateurs (K\(^+\) et NO\(_3^-\)) dans le mélange final. On considérera que les volumes sont additifs.
Correction : Réactifs pour une Réaction de Précipitation
1. Équations de Dissolution des Réactifs Initiaux
Les sels ioniques se dissocient en leurs ions lorsqu'ils sont dissous dans l'eau.
Pour le nitrate de plomb(II) :
Pour l'iodure de potassium :
Équations de dissolution :
- Pb(NO\(_3\))\(_2\)(s) \(\rightarrow\) Pb\(^{2+}\)(aq) + 2NO\(_3^-\)(aq)
- KI(s) \(\rightarrow\) K\(^+\)(aq) + I\(^-\)(aq)
2. Quantités de Matière Initiales des Ions Pb\(^{2+}\) et I\(^-\)
On calcule d'abord la quantité de matière de chaque soluté apporté, puis on en déduit la quantité de matière des ions correspondants en utilisant les équations de dissolution.
Données :
Solution 1 (Nitrate de plomb(II)) : \(V_1 = 50.0 \text{ mL} = 0.0500 \text{ L}\), \(C_1 = 0.20 \text{ mol/L}\)
Solution 2 (Iodure de potassium) : \(V_2 = 100.0 \text{ mL} = 0.1000 \text{ L}\), \(C_2 = 0.15 \text{ mol/L}\)
Quantité de matière de Pb(NO\(_3\))\(_2\) apporté :
D'après l'équation de dissolution de Pb(NO\(_3\))\(_2\), 1 mole de Pb(NO\(_3\))\(_2\) libère 1 mole d'ions Pb\(^{2+}\). Donc :
Quantité de matière de KI apporté :
D'après l'équation de dissolution de KI, 1 mole de KI libère 1 mole d'ions I\(^-\). Donc :
Quantités de matière initiales des ions réactifs :
- \(n_{Pb^{2+}, initial} = 0.010 \text{ mol}\)
- \(n_{I^-, initial} = 0.015 \text{ mol}\)
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3. Équation de la Réaction de Précipitation
Les ions plomb(II) Pb\(^{2+}\) réagissent avec les ions iodure I\(^-\) pour former le précipité solide d'iodure de plomb(II) PbI\(_2\)(s).
L'équation de précipitation est : \( Pb^{2+} (aq) + 2 I^- (aq) \rightarrow PbI_2 (s) \).
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4. Tableau d'Avancement
On construit le tableau d'avancement pour la réaction de précipitation.
Données :
\(n_{Pb^{2+}, initial} = 0.010 \text{ mol}\)
\(n_{I^-, initial} = 0.015 \text{ mol}\)
| Équation | Pb\(^{2+}\) (aq) | + 2 I\(^-\) (aq) | \(\rightarrow\) PbI\(_2\) (s) |
|---|---|---|---|
| État Initial (mol) | 0.010 | 0.015 | 0 |
| En cours (mol) | 0.010 - \(x\) | 0.015 - 2\(x\) | \(x\) |
| État Final (mol) | 0.010 - \(x_{max}\) | 0.015 - 2\(x_{max}\) | \(x_{max}\) |
5. Réactif Limitant et Avancement Maximal (\(x_{max}\))
Le réactif limitant est celui qui s'épuise en premier. On pose les conditions pour que les quantités finales soient nulles ou positives.
Données du tableau d'avancement.
Hypothèse 1 : Pb\(^{2+}\) est le réactif limitant.
Hypothèse 2 : I\(^-\) est le réactif limitant.
L'avancement maximal \(x_{max}\) est la plus petite des valeurs trouvées : \(x_{max} = 0.0075 \text{ mol}\).
Le réactif limitant est donc l'ion iodure I\(^-\).
Le réactif limitant est l'ion iodure (I\(^-\)).
L'avancement maximal est \(x_{max} = 0.0075 \text{ mol}\).
6. Masse de Précipité de PbI\(_2\) Formée
La quantité de PbI\(_2\) formée est \(n_{PbI_2} = x_{max}\). On calcule ensuite la masse avec \(m = n \times M\).
Données :
\(x_{max} = 0.0075 \text{ mol}\)
\(M(Pb) = 207.2 \text{ g/mol}\)
\(M(I) = 126.9 \text{ g/mol}\)
Masse molaire de PbI\(_2\) :
Quantité de matière de PbI\(_2\) formée :
Masse de PbI\(_2\) formée :
La masse de précipité d'iodure de plomb(II) formé est \(m_{PbI_2} \approx 3.46 \text{ g}\).
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7. Concentrations Molaires Effectives des Ions Spectateurs
Les ions spectateurs sont K\(^+\) et NO\(_3^-\). Leurs quantités de matière ne changent pas. Le volume total de la solution est \(V_{total} = V_1 + V_2\).
Données :
\(n_{Pb(NO_3)_2} = 0.010 \text{ mol}\) \(\Rightarrow\) \(n_{NO_3^-} = 2 \times 0.010 = 0.020 \text{ mol}\)
\(n_{KI} = 0.015 \text{ mol}\) \(\Rightarrow\) \(n_{K^+} = 0.015 \text{ mol}\)
\(V_1 = 0.0500 \text{ L}\)
\(V_2 = 0.1000 \text{ L}\)
Volume total de la solution :
Concentration des ions potassium K\(^+\) :
Concentration des ions nitrate NO\(_3^-\) :
Les concentrations molaires effectives des ions spectateurs sont :
- \([K^+]_{final} = 0.10 \text{ mol/L}\)
- \([NO_3^-]_{final} \approx 0.133 \text{ mol/L}\)
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Glossaire des Termes Clés
Réaction de Précipitation :
Réaction chimique au cours de laquelle se forme un produit solide insoluble (le précipité) à partir du mélange de solutions contenant des ions.
Précipité :
Solide insoluble qui se forme lors d'une réaction de précipitation.
Solubilité :
Capacité d'une substance (soluté) à se dissoudre dans une autre substance (solvant). Un composé est dit insoluble s'il a une très faible solubilité.
Ions Spectateurs :
Ions présents dans la solution mais qui ne participent pas directement à la formation du précipité. Ils restent en solution.
Équation Ionique Nette :
Équation chimique qui ne montre que les espèces (ions ou molécules) qui participent réellement à la réaction chimique (formation du précipité), en omettant les ions spectateurs.
Réactif Limitant :
Réactif qui est entièrement consommé lors d'une réaction chimique et qui détermine la quantité maximale de produits pouvant être formés.
Tableau d'Avancement :
Tableau qui permet de suivre les quantités de matière des réactifs et des produits à différents stades d'une réaction chimique.
Questions d'Ouverture ou de Réflexion
1. Comment peut-on prévoir si un précipité va se former lorsqu'on mélange deux solutions ioniques ? (Indice : règles de solubilité ou produit de solubilité).
2. Après la formation du précipité d'iodure de plomb(II), comment pourrait-on le séparer du reste de la solution ? Décrivez une technique de laboratoire.
3. Si l'on voulait s'assurer que tous les ions plomb(II) ont précipité, quel réactif (KI ou Pb(NO\(_3\))\(_2\)) faudrait-il ajouter en excès ? Pourquoi ?
4. La couleur jaune de l'iodure de plomb(II) est caractéristique. Recherchez d'autres réactions de précipitation qui produisent des précipités colorés.
5. Les réactions de précipitation ont-elles des applications dans la vie courante ou dans l'industrie ? Donnez des exemples.
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