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Niveau maths spé
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Solubilité de l'hydroxyde d'aluminium

Posté par
frenet
26-12-15 à 23:15

Bonsoir,

Tout d'abord bonnes fêtes à tous.
Entre deux tranches de foie gras, j'essaye de faire un exercice de "remise à niveau" en chimie... et je bloque bien évidemment.

Je dois définir la solubilité de Al(OH)3,s dans l'eau en fonction de la concentration en H3O+, du produit de solubilité Ks de Al(OH)3,s et de Bêta, la constante de formation de Al(OH)4,aq-.
Au début du sujet, il est donné le produit ionique de l'eau à 25°, et la réaction de formation de Al(OH)4,aq- qui donne OH- + Al(OH)3 et on note bêta sa constante d'équilibre.

Premièrement j'aurais besoin d'un petit éclairage l'énoncé parle de bêta une fois en tant que constante de formation et une autre fois en tant que d'un constante d'équilibre mais pour moi ce n'est pas la même chose car si on prend bêta la constante de formation l'équation considérée est Al(OH)4,aq- = Al3+ + 4OH- non ?

j'ai écris que l'équation de dissolution est Al(OH)3,s = Al3+ + 3OH-. Ainsi, la solubilité notons S est telle que S = [Al3+]

Si je me place dans le cas de l'équation donnée par l'énoncé, bêta = [Al(OH)4,aq-].[OH-].[ Al(OH)3]. Ks = [Al3+][HO-]^3 et [HO-] = Ke/[H3O+].

Cependant je ne vois pas comment me défaire des deux autres espèces dont la concentration est présente dans l'expression de bêta.

En espérant avoir été clair.
Merci de m'avoir lu et merci par avance.

Bonne fin de soirée !

***Edit gbm : niveau mis en accord avec ton profil***

Posté par
frenet
re : Solubilité de l'hydroxyde d'aluminium 26-12-15 à 23:19

et je vous prie de m'excuser pour les fautes d'orthographe, j'aurais dû me relire...

Posté par
vanoise
re : Solubilité de l'hydroxyde d'aluminium 27-12-15 à 00:11

Bonsoir,

Citation :
Premièrement j'aurais besoin d'un petit éclairage l'énoncé parle de bêta une fois en tant que constante de formation et une autre fois en tant que d'un constante d'équilibre mais pour moi ce n'est pas la même chose car si on prend bêta la constante de formation l'équation considérée est Al(OH)4,aq- = Al3+ + 4OH- non ?

La constante de l'équilibre tel que tu viens de l'écrire est la constante de dissociation Kd égale à l'inverse de la constante de formation .
Pour le calcul de la solubilité, il faut écrire que celle-ci correspond, à l'équilibre avec le solide, à la quantité par litre de solide dissout, les ions aluminium passant en solution étant présents soit sous forme de Al3+ soit sous forme de complexe :
s = [Al3+] + [Al(OH)4-]

Posté par
frenet
re : Solubilité de l'hydroxyde d'aluminium 27-12-15 à 09:26

Merci beaucoup !

Donc si je résume, ma grosse erreur est de ne pas avoir considéré la dissolution de Al(OH)3,s en milieu acide et en milieu basique qui donneront  Al3+ et AL(OH)4-, c'est bien ça ?

Ensuite, Bêta = [AL(OH)4-]/([Al3+].[HO-]^3 et Ks reste le même.

on peut dont exprimer [AL(OH)4-] et [Al3+] en fonction de Ks, bêta et [H3O+] donc exprimer S qui est la somme des deux concentrations ?

Merci pour votre aide.

Posté par
vanoise
re : Solubilité de l'hydroxyde d'aluminium 27-12-15 à 11:24

Bonjour,
Je crois que tu as compris !
A l'équilibre de la solution avec le solide , en notant h la concentration à l'équilibre en ions oxonium :

[Al^{3+}]=\frac{Ks}{Ke^{3}}\cdot h^{3}

[Al\left(OH\right)_{4}^{-}]=\beta\cdot[Al^{3+}]\left[HO^{-}\right]^{4}=\beta\cdot Ks\cdot[HO^{-}]=\beta\cdot Ks\cdot\frac{Ke}{h}

s=\frac{Ks}{Ke^{3}}\cdot h^{3}+\beta\cdot Ks\cdot\frac{Ke}{h}

Posté par
frenet
re : Solubilité de l'hydroxyde d'aluminium 27-12-15 à 11:32

j'ai trouvé la bonne réponse, encore merci.

Toutefois, je me demande toujours pourquoi la constante bêta est nommée constante de formation dans la question, car cela est bien différent de la constante d'équilibre non ?

Posté par
frenet
re : Solubilité de l'hydroxyde d'aluminium 27-12-15 à 11:52

Je me permet également de revenir vers vous pour une seconde question qui me résiste. Cette fois je dispose du diagramme d'existence de l'hydroxyde d'aluminium. Une fois complété on y voit le pH de début de précipitation (4,2 environ) et de fin (9 environ). Donc de pH = 0 jusqu'à pH=4,2 l'espèce prédominante est Al3+ et au-delà de 9, Al(OH)4-.

Je dois calculer à l'aide de ce diagramme la constante de formation bêta.

Je bloque car je ne vois pas comment me servir du diagramme. L'expression de bêta est donnée en fonction des deux espèces donc on ne peut pas faire l'approximation que l'une est négligeable devant l'autre sinon on a bêta = 0. Je suppose qu'il faut se placer en un point particulier du graphe et qu'on se sert du pH pour déterminer la concentration en H3O+ mais je ne sais pas où et surtout pas pourquoi.

Posté par
vanoise
re : Solubilité de l'hydroxyde d'aluminium 27-12-15 à 16:02

On peut imaginer deux réaction de formation du complexe différentes ; c'est peut -être cela qui te gêne :
La première : formation du complexe à partir de Al3+ :
Al^{3+}+4HO^{-}=Al\left(OH\right)_{4}^{-}\qquad\beta_{1}=\frac{\left[Al\left(OH\right)_{4}^{-}\right]}{\left[Al^{3+}\right]\left[HO^{-}\right]^{4}}
La seconde : formation du complexe à partir du précipité :
Al(OH)_{3}+HO^{-}=Al\left(OH\right)_{4}^{-}\qquad\beta_{2}=\frac{\left[Al\left(OH\right)_{4}^{-}\right]}{\left[HO^{-}\right]}=\beta_{1}\cdot K_{s}
Ce que j'ai appelé dans mon message précédent correspond en fait à 1.
Pour la valeur de , j'imagine que tu connais c : la quantité totale par litre d'élément aluminium introduit. À la limite pH = 9, tu as :
c=s\approx\beta_{1}\cdot Ks\cdot\frac{Ke}{h}
car à un tel pH :
\left[Al^{3+}\right]\ll\left[Al\left(OH\right)_{4}^{-}\right]
Tu peux en déduire .

Posté par
vanoise
re : Solubilité de l'hydroxyde d'aluminium 27-12-15 à 23:12

Pour illustrer mon propos précédent, voici la représentation graphique des variation de log(s) en fonction du pH. On remarque que, avant le minimum de log(s) la courbe se confond avec la droite d'équation log([Al3+])=f1(pH) et qu'après le minimum la courbe se confond avec la droite d'équation log([Al(OH)4-]) = f2(pH) ce qui justifie l'approximation que j'ai faite. J'ai choisi : c = 10-3mol/L et j'ai arrondi les constantes : Ks = 10-33 ; 1=1035 soit aussi : 2 =102

Solubilité de l\'hydroxyde d\'aluminium

Posté par
frenet
re : Solubilité de l'hydroxyde d'aluminium 28-12-15 à 12:27

Je pense avoir compris merci bcp !

Par contre sur votre courbe on voit clairement apparaître une valeur de pH, ici 5,3 un peu près qui délimite la prédominance des espèces présentes dans la solution.
Il me semble que l'on peut affirmer que [Al3+] est supérieure à [Al(OH)4-] pour pH < 5.3 et inversement pour pH > 5.3 non ?

Je me rappelle vaguement que l'année dernière on nous demandait de calculer cette valeur limite de pH. Est-ce également possible lorsque l'on a 3 espèces en jeu ? Je comprends bien que l'on peut accéder facilement à la valeur limite du pH pour un couple acido-basique avec la constante d'acidité. Mais, dans notre cas je ne vois pas trop comment procéder, mis à part délimiter les pH à partir desquels une des deux espèces est en concentration supérieure par rapport à Al(OH)3,s

Encore merci de votre aide !

Posté par
vanoise
re : Solubilité de l'hydroxyde d'aluminium 29-12-15 à 15:35

Bonjour,
Tout à fait d'accord avec ce que tu écris dans tes deux premiers paragraphes. En revanche, quand tu écris :

Citation :
délimiter les pH à partir desquels une des deux espèces est en concentration supérieure par rapport à Al(OH)3,s

Je ne suis plus d'accord ! La notion de concentration n'a pas de sens pour un solide ; soit le solide existe : son activité vaut 1 quelle que soit sa quantité, soit le solide n'existe pas !
Si tu disposes d'une solution dans laquelle a été introduite c = 10-3 mole d'ions aluminium par litre, trois cas sont possibles :
pH < 4 : s > c : la solution peut dissoudre plus de sel d'aluminium qu'il n'en a été introduit : la solution est limpide (pas de précipité), Al3+ est ultra majoritaire en solution.
4 < pH < 9 : s < c : la quantité introduite de sel d'aluminium est supérieure à celle que peut dissoudre la solution. Un précipité l'hydroxyde d'aluminium apparaît.
pH > 9 : s > c : situation analogue à la première à une différence près : l'espèce ultra majoritaire en solution est l'ion complexe.



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