Chapitre 8 | Terminale STI2D — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026
Exercices progressifs corrigés. Cherche chaque exercice avant de dérouler la correction. Les équations doivent être équilibrées en atomes et en charges.
Équilibrer les équations de combustion complète (produits : \(\text{CO}_2\) et \(\text{H}_2\text{O}\)) :
1. \(\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}\) (O : 4 = 2 + 2).
2. \(\text{C}_2\text{H}_6\text{O} + 3\,\text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{CO}_2 + 3\,\text{H}_2\text{O}\) (O : 1 + 6 = 4 + 3).
3. \(\text{C}_2\text{H}_4 + 3\,\text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}\) (O : 6 = 4 + 2).
Le méthane a une énergie molaire de combustion \(E_m=8{,}9\times10^{5}\ \text{J·mol}^{-1}\).
(a) Calculer l'énergie libérée par la combustion de \(n=3{,}0\ \text{mol}\) de méthane.
(b) Combien de moles de \(\text{CO}_2\) sont rejetées ? (utiliser l'équation de l'exercice 1).
(c) Une chaudière plus performante brûle \(n=1{,}5\ \text{mol}\) de méthane et fournit la même chaleur utile. Que peut-on dire du rejet de \(\text{CO}_2\) ?
(a) \(E = n\times E_m = 3{,}0\times8{,}9\times10^{5}=2{,}67\times10^{6}\approx2{,}7\times10^{6}\ \text{J}\) (soit \(2{,}7\) MJ).
(b) \(\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \to \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}\) : 1 mol de \(\text{CH}_4\) donne 1 mol de \(\text{CO}_2\). Donc \(n(\text{CO}_2)=3{,}0\ \text{mol}\).
(c) Brûler 2 fois moins de méthane pour la même chaleur utile rejette 2 fois moins de \(\text{CO}_2\) (\(1{,}5\ \text{mol}\)) : meilleur bilan carbone.
On donne les couples \(\text{Ag}^+/\text{Ag}\) et \(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}\). On plonge un fil de cuivre dans une solution d'ions argent : le cuivre se dissout et de l'argent métallique se dépose.
(a) Écrire les deux demi-équations. (b) En déduire l'équation de la réaction (attention aux électrons). (c) Identifier l'oxydant et le réducteur.
(a) \(\text{Cu} \longrightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\,\text{e}^-\) (oxydation) ; \(\text{Ag}^+ + \text{e}^- \longrightarrow \text{Ag}\) (réduction).
(b) Pour équilibrer les électrons, on multiplie la seconde demi-équation par 2 : \(2\,\text{Ag}^+ + 2\,\text{e}^- \longrightarrow 2\,\text{Ag}\). En additionnant :
\(\text{Cu} + 2\,\text{Ag}^+ \longrightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\,\text{Ag}\). Charges : à gauche \(0 + 2\times(+1)=+2\) ; à droite \(+2 + 0=+2\) : équilibré.
(c) Le cuivre \(\text{Cu}\) cède des électrons : réducteur. L'ion argent \(\text{Ag}^+\) les capte : oxydant.
Une pile met en jeu les couples \(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}\) et \(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}\). Le zinc est oxydé, le cuivre est déposé.
(a) À quelle électrode (borne + ou −) se produit l'oxydation ? La réduction ?
(b) Écrire la demi-équation à chaque borne et l'équation de fonctionnement de la pile.
(c) Quel métal constitue la borne négative ?
(a) L'oxydation se produit à la borne − (anode) ; la réduction à la borne + (cathode).
(b) Borne − : \(\text{Zn} \longrightarrow \text{Zn}^{2+} + 2\,\text{e}^-\). Borne + : \(\text{Cu}^{2+} + 2\,\text{e}^- \longrightarrow \text{Cu}\).
Équation : \(\text{Zn} + \text{Cu}^{2+} \longrightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{Cu}\). Charges : \(0+2 = 2+0\).
(c) Le zinc (siège de l'oxydation) constitue la borne négative.
Un bus est alimenté par une pile à combustible : \(2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}\). Le réservoir contient \(n(\text{H}_2)=5{,}0\ \text{mol}\) de dihydrogène.
(a) Quelle quantité de \(\text{O}_2\) est nécessaire pour tout consommer ?
(b) Quelle quantité d'eau est produite ?
(c) Rappeler pourquoi cette pile n'émet pas de \(\text{CO}_2\).
(a) D'après les coefficients \(2\,\text{H}_2\) pour \(1\,\text{O}_2\) : \(n(\text{O}_2)=\dfrac{n(\text{H}_2)}{2}=\dfrac{5{,}0}{2}=2{,}5\ \text{mol}\).
(b) \(2\,\text{H}_2\) donnent \(2\,\text{H}_2\text{O}\), donc \(n(\text{H}_2\text{O})=n(\text{H}_2)=5{,}0\ \text{mol}\).
(c) Les réactifs sont \(\text{H}_2\) et \(\text{O}_2\) : ils ne contiennent aucun atome de carbone. Le seul produit est l'eau, sans \(\text{CO}_2\).
(a) Une solution a \([\text{H}_3\text{O}^+]=5{,}0\times10^{-4}\ \text{mol·L}^{-1}\). Calculer son pH. Est-elle acide, neutre ou basique ?
(b) Une autre solution a \(\text{pH}=9{,}2\). Calculer \([\text{H}_3\text{O}^+]\).
(c) Ranger par acidité croissante : solution X (\(\text{pH}=2\)), Y (\(\text{pH}=7\)), Z (\(\text{pH}=5\)).
(a) \(\text{pH}=-\log(5{,}0\times10^{-4})=3{,}3\). Comme \(\text{pH}\lt 7\), la solution est acide.
(b) \([\text{H}_3\text{O}^+]=10^{-\text{pH}}=10^{-9{,}2}=6{,}3\times10^{-10}\ \text{mol·L}^{-1}\) (solution basique).
(c) Plus le pH est petit, plus la solution est acide. De la moins acide à la plus acide : Y (7) \(\lt\) Z (5) \(\lt\) X (2). Donc par acidité croissante : Y, Z, X.
On dispose d'une solution d'acide chlorhydrique de \(\text{pH}=2{,}0\).
(a) Donner \([\text{H}_3\text{O}^+]\) de cette solution.
(b) On la dilue 100 fois. Prévoir le sens d'évolution du pH et calculer le nouveau pH (on admet que \([\text{H}_3\text{O}^+]\) est divisée par 100).
(c) Cette dilution peut-elle rendre la solution basique ? Justifier.
(a) \([\text{H}_3\text{O}^+]=10^{-2{,}0}=1{,}0\times10^{-2}\ \text{mol·L}^{-1}\).
(b) Dilution d'un acide : \([\text{H}_3\text{O}^+]\) diminue, donc le pH augmente. Nouvelle concentration : \(\dfrac{1{,}0\times10^{-2}}{100}=1{,}0\times10^{-4}\ \text{mol·L}^{-1}\), donc \(\text{pH}=-\log(1{,}0\times10^{-4})=4{,}0\).
(c) Non : le pH monte vers 7 mais ne le dépasse jamais par simple dilution. La solution reste acide (\(\text{pH}\lt 7\)).
On donne les couples \(\text{CH}_3\text{COOH}/\text{CH}_3\text{COO}^-\) et \(\text{H}_3\text{O}^+/\text{H}_2\text{O}\).
(a) Identifier l'acide et la base de chaque couple.
(b) L'acide éthanoïque \(\text{CH}_3\text{COOH}\) réagit avec l'eau. Écrire l'équation de la réaction acido-basique.
(c) Vérifier la conservation des charges.
(a) Couple 1 : acide \(\text{CH}_3\text{COOH}\), base \(\text{CH}_3\text{COO}^-\). Couple 2 : acide \(\text{H}_3\text{O}^+\), base \(\text{H}_2\text{O}\).
(b) L'acide \(\text{CH}_3\text{COOH}\) cède \(\text{H}^+\) à la base \(\text{H}_2\text{O}\) :
\(\text{CH}_3\text{COOH} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_3\text{O}^+\).
(c) Charges : à gauche \(0 + 0 = 0\) ; à droite \((-1) + (+1) = 0\). Atomes et charges conservés.
On compare deux véhicules parcourant le même trajet.
Véhicule thermique. Il brûle de l'octane \(\text{C}_8\text{H}_{18}\) (énergie molaire de combustion \(E_m=5{,}5\times10^{6}\ \text{J·mol}^{-1}\)). Pour le trajet, il consomme \(n=8{,}0\ \text{mol}\) d'octane.
Véhicule à hydrogène. Il utilise une pile à combustible \(2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}\).
(a) Équilibrer la combustion complète de l'octane.
(b) Calculer l'énergie libérée et la quantité de \(\text{CO}_2\) rejetée par le véhicule thermique.
(c) Écrire les deux demi-équations de la pile à combustible et retrouver l'équation globale.
(d) Le véhicule à hydrogène consomme \(n(\text{H}_2)=120\ \text{mol}\). Quelle quantité d'eau rejette-t-il ? Quelle masse de \(\text{CO}_2\) émet-il ?
(e) Conclure sur l'intérêt environnemental du véhicule à hydrogène.
(a) \(\text{C}_8\text{H}_{18} + \dfrac{25}{2}\,\text{O}_2 \longrightarrow 8\,\text{CO}_2 + 9\,\text{H}_2\text{O}\) (C : 8 = 8 ; H : 18 = 18 ; O : 25 = 16 + 9). Sous forme entière : \(2\,\text{C}_8\text{H}_{18} + 25\,\text{O}_2 \longrightarrow 16\,\text{CO}_2 + 18\,\text{H}_2\text{O}\).
(b) Énergie : \(E = n\times E_m = 8{,}0\times5{,}5\times10^{6}=4{,}4\times10^{7}\ \text{J}=44\ \text{MJ}\).
\(\text{CO}_2\) : 1 mol d'octane donne 8 mol de \(\text{CO}_2\), donc \(n(\text{CO}_2)=8\times8{,}0=64\ \text{mol}\).
(c) Borne − : \(\text{H}_2 \longrightarrow 2\,\text{H}^+ + 2\,\text{e}^-\) (\(\times2\)). Borne + : \(\text{O}_2 + 4\,\text{H}^+ + 4\,\text{e}^- \longrightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}\). Somme : \(2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}\).
(d) \(2\,\text{H}_2\) donnent \(2\,\text{H}_2\text{O}\) : \(n(\text{H}_2\text{O})=n(\text{H}_2)=120\ \text{mol}\) d'eau. Aucun carbone dans les réactifs : masse de \(\text{CO}_2\) émise = 0.
(e) Le véhicule thermique rejette \(64\ \text{mol}\) de \(\text{CO}_2\) (gaz à effet de serre), le véhicule à hydrogène n'en rejette aucun : il ne produit que de l'eau. À l'usage, il est bien plus favorable pour le climat (sous réserve d'un hydrogène produit proprement).