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Loi de Kohlrausch : exercices de sciences physiques en terminale – PDF gratuit à télécharger et imprimer

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Loi de Kohlrausch : exercices de sciences physiques en terminale – PDF gratuit à télécharger et imprimer

Vingt exercices progressifs sur la loi de Kohlrausch : conductance et conductivité, conductivités molaires ioniques, étalonnage, dosages conductimétriques, suivi cinétique. Cherche seul(e), puis consulte le corrigé séparé. Conductivités molaires ioniques à 25 °C (mS·m2·mol−1) : H3O+ 35,0 ; HO− 19,9 ; Na+ 5,01 ; K+ 7,35 ; Cl− 7,63 ; NO3− 7,14 ; CH3COO− 4,09 ; Ca2+ 11,9 ; Mg2+ 10,6 ; SO42− 16,0.

Cette fiche d’exercices est à télécharger en PDF et à imprimer gratuitement : le bouton se trouve en bas de la page, sans inscription.

Les exercices sur la loi de Kohlrausch

Exercice 1 : Questions de cours

1. Quelle est l’unité de la conductance ? de la conductivité ? de la conductivité molaire ionique ?
2. Écris la relation entre G, σ et la constante de cellule k.
3. Énonce la loi de Kohlrausch en précisant l’unité des concentrations.
4. Dans quel domaine de concentration est-elle valable ?
5. Pourquoi le conductimètre utilise-t-il une tension alternative ?

Exercice 2 : Vrai ou faux ?

Justifie.

a. La conductance se mesure en siemens.
b. La conductivité d’une solution dépend de la géométrie de la cellule.
c. En solution diluée, σ augmente quand la concentration en ions augmente.
d. L’eau distillée a une conductivité rigoureusement nulle.
e. L’ion H3O+ conduit mieux que l’ion Na+.
f. La loi de Kohlrausch est valable à toute concentration.

Exercice 3 : Conversions d’unités

1. Exprime en S/m : 12,6 mS/m ; 1,5 mS/cm ; 200 µS/cm.
2. Exprime en mol/m3 : 5,0 × 10−3 mol/L ; 0,10 mol/L.
3. Exprime en mol/L : 0,25 mol/m3.

Exercice 4 : Constante de cellule

Une cellule a des électrodes de surface S = 1,0 cm2 distantes de L = 1,0 cm.

1. Calcule la constante de cellule en cm−1 puis en m−1.
2. La conductance mesurée vaut 0,80 mS : calcule σ.
3. Pour une solution de conductivité 0,050 S/m, quelle conductance mesure-t-on ?
4. Si l’on double la distance entre les électrodes, que devient la conductance de la même solution ?

Exercice 5 : Conductivité du chlorure de sodium

Une solution de chlorure de sodium a pour concentration c = 1,0 × 10−2 mol/L.

1. Écris l’équation de dissolution du solide.
2. Donne les concentrations des ions en mol/m3.
3. Calcule la conductivité σ en S/m puis en mS/cm.

Exercice 6 : Sels à ions multiples

Calcule la conductivité de : a. une solution de chlorure de calcium CaCl2 de concentration 5,0 × 10−3 mol/L ; b. une solution de sulfate de potassium K2SO4 de concentration 1,0 × 10−3 mol/L.

Exercice 7 : Retrouver une concentration

Une solution de chlorure de potassium a une conductivité σ = 0,0150 S/m.

1. Exprime σ en fonction de la concentration c.
2. Calcule c en mol/m3 puis en mol/L.
3. Quelle masse de chlorure de potassium (M = 74,6 g/mol) contient 250 mL de cette solution ?

Exercice 8 : Droite d’étalonnage

On a mesuré la conductivité de solutions étalons de chlorure de potassium.

020406080012345c (mmol/L)σ (mS/m)
Conductivité de solutions étalons de chlorure de potassium.

1. Quelle propriété de la droite justifie la loi de Kohlrausch ?
2. Calcule son coefficient directeur et compare-le à λ(K+) + λ(Cl−).
3. Une solution S, diluée 10 fois, a une conductivité de 51,0 mS/m : détermine sa concentration (graphiquement puis par le calcul).
4. Déduis la concentration en mol/L de la solution S non diluée.

Exercice 9 : Effet de la température

Une solution de chlorure de sodium a une conductivité de 126 mS/m à 25 °C. La conductivité d’une solution ionique augmente d’environ 2,0 % par degré Celsius.

1. Estime σ à 35 °C et à 15 °C.
2. Pourquoi faut-il étalonner et mesurer à la même température ?
3. Explique pourquoi les conductimètres possèdent souvent une sonde de température.

Exercice 10 : Mélange de deux solutions

On mélange 50,0 mL de chlorure de sodium à 1,0 × 10−2 mol/L et 50,0 mL de nitrate de potassium à 1,0 × 10−2 mol/L. Aucune réaction n’a lieu.

1. Quelles sont les concentrations des quatre ions après mélange ?
2. Calcule la conductivité du mélange.
3. Compare à celle de chacune des solutions initiales.

Exercice 11 : Une dilution

Une solution mère de nitrate de potassium a pour concentration 2,0 × 10−2 mol/L. On veut préparer 100,0 mL d’une solution fille dix fois moins concentrée.

1. Quel volume de solution mère faut-il prélever ? Quelle verrerie utiliser ?
2. Calcule la conductivité de la solution mère puis celle de la solution fille.
3. Pourquoi la proportionnalité entre σ et c reste-t-elle valable ?

Exercice 12 : Titrage d’un acide fort

On dose VA = 10,0 mL d’acide chlorhydrique (placés dans 190 mL d’eau) par une solution d’hydroxyde de sodium de concentration cB = 0,100 mol/L. On suit la conductivité.

0501001502000246810121416V soude versé (mL)σ (mS/m)
Conductivité en fonction du volume de soude versé.

1. Écris l’équation de la réaction de dosage.
2. Justifie le sens de variation de σ avant puis après l’équivalence.
3. Détermine le volume équivalent.
4. Calcule la concentration de la solution d’acide chlorhydrique.
5. Pourquoi a-t-on ajouté de l’eau ?

Exercice 13 : Titrage d’un acide faible

On dose 10,0 mL d’acide éthanoïque CH3COOH (placés dans 190 mL d’eau) par la soude à 0,100 mol/L.

030609012002468101214V soude versé (mL)σ (mS/m)
Conductivité en fonction du volume de soude versé.

1. Écris l’équation de la réaction de dosage.
2. Pourquoi σ est-elle faible au départ ?
3. Quels ions apparaissent avant l’équivalence ? Pourquoi σ augmente-t-elle lentement ?
4. Détermine le volume équivalent et la concentration de l’acide.
5. Compare qualitativement cette courbe à celle de l’acide fort de l’exercice 12.

Exercice 14 : Dosage d’une solution de soude

On dose VB = 20,0 mL d’une solution d’hydroxyde de sodium, placés dans 180 mL d’eau, par de l’acide chlorhydrique à 0,100 mol/L. On relève :

V (mL)0246810121416
σ (mS/m)124,6112,3100,187,875,563,2105,9148,5191,1

1. Écris l’équation du dosage.
2. Trace σ = f(V) et détermine graphiquement le volume équivalent.
3. Justifie la pente négative puis la pente positive, plus forte.
4. Calcule la concentration de la solution de soude.

Exercice 15 : Une eau calcaire

Une eau contient du chlorure de calcium dissous ; la concentration massique en ions calcium Ca2+ est de 80 mg/L (M(Ca) = 40,1 g/mol).

1. Calcule la concentration en ions Ca2+ en mol/m3.
2. Déduis celle des ions chlorure.
3. Calcule la conductivité de l’eau en S/m.

Exercice 16 : Un acide faible en solution

Une solution d’acide éthanoïque de concentration 1,0 × 10−2 mol/L a une conductivité mesurée de 0,0160 S/m. Les seuls ions présents en quantité notable sont H3O+ et CH3COO−, en concentrations égales.

1. Calcule leur concentration commune en mol/m3 puis en mol/L.
2. Calcule le pH.
3. Calcule le taux d’avancement de la réaction avec l’eau.
4. Pour la même concentration, quelle serait la conductivité d’une solution d’acide chlorhydrique ? Commente.

Exercice 17 : Salinité de l’eau de mer

Une eau de mer a une conductivité de 5,0 S/m à 25 °C. On l’assimile à une solution de chlorure de sodium (M = 58,5 g/mol) et on admet, pour cet exercice, que la loi de Kohlrausch s’applique.

1. Calcule la concentration en chlorure de sodium en mol/m3 puis en mol/L.
2. Calcule la concentration massique en g/L.
3. Pourquoi ce résultat est-il approximatif ?

Exercice 18 : Étalonner la cellule

Pour déterminer la constante de cellule, on plonge la cellule dans une solution de chlorure de potassium à 1,0 × 10−2 mol/L de conductivité connue σréf = 0,1413 S/m à 25 °C ; la conductance mesurée vaut 1,20 mS.

1. Calcule la constante de cellule k.
2. On mesure ensuite G = 2,40 mS pour une solution inconnue : calcule σ.
3. Pourquoi doit-on rincer la cellule à l’eau distillée entre deux mesures ?

Exercice 19 : Suivi d’une transformation chimique

Le 2-chloro-2-méthylpropane réagit avec l’eau : R−Cl + 2 H2O → R−OH + H3O+ + Cl−. On introduit n0 = 1,0 × 10−3 mol de réactif dans V = 100 mL de solvant (réaction totale, volume constant) et on suit σ au cours du temps.

00,10,20,30,40,50100200300400500600t (s)σ (S/m)valeur finale σ∞
Conductivité du mélange réactionnel au cours du temps.

1. Quels ions apparaissent ? Pourquoi σ augmente-t-elle ?
2. Exprime σ(t) en fonction de l’avancement x(t), de V et des conductivités molaires ioniques.
3. Calcule la conductivité finale σ∞ ; compare avec la valeur lue.
4. Déduis l’avancement à t = 150 s (σ = 0,27 S/m).
5. Détermine graphiquement le temps de demi-réaction.

Exercice 20 : Doser un détartrant

Un détartrant ménager contient de l’acide chlorhydrique à environ 1 mol/L. On dispose d’une solution de soude à 0,100 mol/L, d’un conductimètre, d’une burette, d’une pipette jaugée de 5,00 mL, d’une fiole de 250,0 mL et d’eau distillée.

Rédige un protocole complet pour déterminer la concentration de l’acide : dilutions nécessaires (justifie-les), mesures, tracé attendu, exploitation et incertitudes. Précise le résultat attendu si l’équivalence se situe à 4,8 mL pour un prélèvement de 20,0 mL de solution diluée.

Voir le corrigé : Conductimétrie et loi de Kohlrausch, exercices de sciences physiques terminale