Etude de Chimie

Chimie des éléments du bloc s

Chimie Inorganique : Chimie des éléments du bloc s (métaux alcalins et alcalino-terreux)

Chimie des éléments du bloc s

Contexte : Les Métaux les Plus Réactifs

Les éléments du bloc s, comprenant les métaux alcalins (Groupe 1) et les métaux alcalino-terreux (Groupe 2), sont caractérisés par leurs électrons de valence occupant l'orbitale s. Ces métaux ont les plus faibles énergies d'ionisation et les plus faibles électronégativités du tableau périodique, ce qui en fait des agents réducteurs extrêmement puissants. Leur grande réactivité, en particulier avec l'eau, est l'une de leurs propriétés les plus emblématiques. Cette réaction exothermique produit de l'hydroxyde métallique et du dihydrogène gazeux. Cet exercice se concentre sur la stœchiométrie de la réaction d'un métal alcalin avec l'eau.

Remarque Pédagogique : La réactivité des métaux du bloc s augmente de manière spectaculaire en descendant dans le groupe. Cela est dû au fait que l'électron de valence est de plus en plus éloigné du noyau, donc plus facile à arracher. Comprendre cette tendance est essentiel pour prédire l'intensité des réactions.

Objectifs Pédagogiques

  • Écrire et équilibrer l'équation de la réaction d'un métal alcalin avec l'eau.
  • Identifier les produits d'une telle réaction (hydroxyde et dihydrogène).
  • Utiliser la stœchiométrie pour relier la quantité de réactif à la quantité de produit.
  • Calculer un volume de gaz produit dans des conditions données.
  • Calculer la concentration molaire d'une solution résultante.

Données de l'étude

On fait réagir complètement un morceau de \(0,46 \, \text{g}\) de sodium (\(\text{Na}\)) métallique avec un grand volume d'eau. La réaction produit du dihydrogène gazeux et une solution d'hydroxyde de sodium (\(\text{NaOH}\)). Le volume final de la solution est de \(200 \, \text{mL}\).

Schéma de la Réaction
Na(s) + H₂O(l) NaOH(aq) + H₂(g)

Données :

  • Masse molaire atomique du Sodium (Na) : \(23,0 \, \text{g/mol}\).
  • Volume molaire des gaz dans les conditions de l'expérience : \(V_m = 24,0 \, \text{L/mol}\).

Questions à traiter

  1. Écrire l'équation chimique équilibrée de la réaction.
  2. Calculer le volume de dihydrogène (\(\text{H}_2\)) gazeux dégagé.
  3. Calculer la concentration molaire de la solution d'hydroxyde de sodium obtenue.

Correction : Chimie des éléments du bloc s

Question 1 : Équation de la réaction

Principe :
2 Na + 2 H₂O 2 NaOH + H₂

Le sodium métallique (N.O. 0) est un réducteur puissant. Il réagit avec l'eau en cédant un électron pour former l'ion \(\text{Na}^+\) (N.O. +1). L'eau agit comme un oxydant : un atome d'hydrogène de l'eau (N.O. +1) accepte un électron pour former du dihydrogène gazeux (N.O. 0). L'ion \(\text{OH}^-\) restant se combine avec \(\text{Na}^+\) pour former l'hydroxyde de sodium. Il faut équilibrer les atomes et les charges de chaque côté de l'équation.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : C'est une réaction redox où le sodium est oxydé et l'eau est réduite. La formation d'un gaz (H₂) et d'une base forte (NaOH) sont les deux caractéristiques principales de la réaction des métaux alcalins avec l'eau.

Formule(s) / Équation :
\[ 2 \, \text{Na(s)} + 2 \, \text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow 2 \, \text{NaOH(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
Points de vigilance :

L'équilibrage des coefficients est crucial. Une erreur courante est d'écrire \(Na + H_2O \rightarrow NaOH + H_2\), ce qui n'est pas équilibré en hydrogène. Il faut bien 2 moles de Na pour 2 moles d'eau pour produire 1 mole de H₂.

Le saviez-vous ?

La réaction est si exothermique que la chaleur dégagée peut enflammer le dihydrogène produit, surtout avec le potassium ou le césium. C'est une expérience de démonstration classique mais dangereuse.

FAQ en rapport avec la question :
Pourquoi le sodium réagit-il si violemment avec l'eau ?

Le sodium a une très faible énergie de première ionisation, ce qui signifie qu'il cède très facilement son électron de valence. La réaction est thermodynamiquement très favorable (\(\Delta G^\circ \ll 0\)) et rapide, libérant une grande quantité d'énergie sous forme de chaleur.

Question 2 : Volume de dihydrogène

Principe :
m (Na) ÷ M n (Na) ÷ 2 n (H₂) x Vm V (H₂)

Le volume de gaz produit dépend de sa quantité de matière (moles). On utilise la stœchiométrie de la réaction pour relier la quantité de sodium de départ à la quantité de dihydrogène produit. D'après l'équation, 2 moles de Na produisent 1 mole de H₂. Une fois la quantité de H₂ connue, on la convertit en volume à l'aide du volume molaire \(V_m\).

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Le "pont" entre la masse d'un solide et le volume d'un gaz est toujours la quantité de matière (la mole). Il faut systématiquement passer par ce calcul intermédiaire.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ n = \frac{m}{M} \quad \text{et} \quad V = n \times V_m \]
Donnée(s) :
  • Masse de sodium : \(m_{\text{Na}} = 0,46 \, \text{g}\)
  • Masse molaire du sodium : \(M_{\text{Na}} = 23,0 \, \text{g/mol}\)
  • Volume molaire : \(V_m = 24,0 \, \text{L/mol}\)
  • Ratio stœchiométrique : \(n_{\text{H}_2} = \frac{1}{2} n_{\text{Na}}\)
Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} n_{\text{Na}} &= \frac{0.46 \, \text{g}}{23.0 \, \text{g/mol}} = 0.020 \, \text{mol} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} n_{\text{H}_2} &= \frac{1}{2} \times n_{\text{Na}} = \frac{1}{2} \times 0.020 \, \text{mol} = 0.010 \, \text{mol} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} V_{\text{H}_2} &= n_{\text{H}_2} \times V_m \\ &= 0.010 \, \text{mol} \times 24.0 \, \text{L/mol} \\ &= 0.24 \, \text{L} \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Unités : Assurez-vous que toutes les unités sont cohérentes. Si le volume molaire est en L/mol, le volume calculé sera en Litres. Il faut souvent le convertir en millilitres (mL) ou centimètres cubes (cm³) pour la réponse finale.

Le saviez-vous ?

La réaction du sodium avec l'eau est si exothermique que le morceau de sodium fond (point de fusion de 98°C) et se déplace à la surface de l'eau sous la forme d'une bille argentée, propulsée par le dégagement d'hydrogène.

FAQ en rapport avec la question :
Le volume molaire est-il toujours de 24,0 L/mol ?

Non. Cette valeur n'est valable que dans les conditions de l'exercice. Dans les Conditions Normales de Température et de Pression (CNTP : 0°C, 1 atm), le volume molaire est de 22,4 L/mol. Il faut toujours utiliser la valeur fournie dans l'énoncé.

Résultat : Le volume de dihydrogène dégagé est de 0.24 L (ou 240 mL).

Question 3 : Concentration de la solution de NaOH

Principe :
V = 200 mL C = n / V

La concentration molaire d'une solution est le rapport entre la quantité de matière de soluté (ici, le NaOH formé) et le volume total de la solution. On utilise la stœchiométrie de la réaction pour trouver la quantité de NaOH produit, puis on divise par le volume final de la solution.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Il est important de bien utiliser le volume final de la solution, et non le volume d'eau initial (s'il était donné). La concentration dépend du volume dans lequel le soluté est dissous.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ C = \frac{n}{V} \]
Donnée(s) :
  • Quantité de sodium : \(n_{\text{Na}} = 0.020 \, \text{mol}\)
  • Volume final de la solution : \(V = 200 \, \text{mL} = 0.200 \, \text{L}\)
  • Ratio stœchiométrique : \(n_{\text{NaOH}} = n_{\text{Na}}\)
Calcul(s) :
\[ n_{\text{NaOH}} = n_{\text{Na}} = 0.020 \, \text{mol} \]
\[ \begin{aligned} C_{\text{NaOH}} &= \frac{n_{\text{NaOH}}}{V_{\text{solution}}} \\ &= \frac{0.020 \, \text{mol}}{0.200 \, \text{L}} \\ &= 0.10 \, \text{mol/L} \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Conversion des volumes : La concentration molaire s'exprime en mol/L. Il est impératif de convertir le volume de la solution de millilitres (mL) en litres (L) avant de faire le calcul.

Le saviez-vous ?

L'hydroxyde de sodium (NaOH), ou soude caustique, est l'une des bases les plus utilisées dans l'industrie. On la retrouve dans la fabrication de savon (saponification), de papier, de détergents et de nombreux produits chimiques.

FAQ en rapport avec la question :
Quel est le pH de la solution finale ?

NaOH est une base forte, elle se dissocie totalement en Na⁺ et OH⁻. La concentration en ions hydroxyde est donc [OH⁻] = 0.10 mol/L. On peut calculer le pOH = -log(0.10) = 1. Puisque pH + pOH = 14, le pH de la solution est de 13. C'est une solution très basique.

Résultat : La concentration de la solution d'hydroxyde de sodium est de 0.10 mol/L.

Pratique Interactive : Calcul Stœchiométrique

Calculez le volume de H₂ produit si on fait réagir 0.78 g de Potassium (K, M=39.0 g/mol) avec de l'eau (\(V_m = 24.0 \, \text{L/mol}\)).

Défi : Réaction du Potassium

Pour Aller Plus Loin : Métaux Alcalino-Terreux

Le Groupe 2 : Les métaux alcalino-terreux (Groupe 2, ex: Mg, Ca) réagissent de manière similaire avec l'eau, mais la stœchiométrie est différente. Ayant deux électrons de valence, ils forment des ions divalents (M²⁺) et des hydroxydes de formule M(OH)₂. L'équation bilan est : \(\text{M(s)} + 2 \, \text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \text{M(OH)}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{(g)}\). Une mole de métal alcalino-terreux produit donc une mole de H₂, soit le double d'un métal alcalin pour la même quantité de matière.

Le Saviez-Vous ?

Le sodium et le potassium sont des électrolytes essentiels au fonctionnement de notre corps. La "pompe sodium-potassium", une protéine présente dans nos cellules, utilise de l'énergie (ATP) pour maintenir des gradients de concentration de Na⁺ et K⁺ à travers la membrane cellulaire. Ce déséquilibre est crucial pour la transmission de l'influx nerveux et la contraction musculaire.

Foire Aux Questions (FAQ)

Pourquoi la réaction est-elle si violente ?

La réaction est très exothermique, c'est-à-dire qu'elle dégage beaucoup de chaleur. Cette chaleur peut être suffisante pour enflammer le dihydrogène produit, qui est très inflammable, provoquant une explosion. La violence augmente avec la réactivité du métal (K est plus violent que Na).

Que se passe-t-il si on utilise un alcool à la place de l'eau ?

Les alcools (ROH) possèdent aussi un proton acide (le H du groupe -OH). Les métaux alcalins réagissent également avec eux pour former un alcoolate (RONa) et du dihydrogène. La réaction est généralement moins violente qu'avec l'eau car les alcools sont des acides plus faibles.

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. En descendant dans le groupe des métaux alcalins (de Li à Cs), leur réactivité avec l'eau :

2. La réaction de 2 moles de Calcium (Ca, Groupe 2) avec de l'eau produit :

Glossaire

Métaux Alcalins
Éléments du Groupe 1 du tableau périodique (Li, Na, K, etc.). Ils ont un seul électron de valence et forment des ions M⁺.
Métaux Alcalino-Terreux
Éléments du Groupe 2 du tableau périodique (Be, Mg, Ca, etc.). Ils ont deux électrons de valence et forment des ions M²⁺.
Stœchiométrie
Étude des rapports quantitatifs entre les réactifs et les produits dans une réaction chimique.
Volume Molaire (\(V_m\))
Volume occupé par une mole d'un gaz dans des conditions de température et de pression données. Il est le même pour tous les gaz parfaits.
Chimie des éléments du bloc s (métaux alcalins et alcalino-terreux)

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