Aurélie juin04

Cinétique chimique

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eau oxygénée et ion iodure

 

Cette transformation totale est modélisée par la réaction d'équation : H2O2 + 2I- +2H3O+ --> I2 + 4H2O

A la date t = 0, on ajoute une solution acidifiée d'iodure de potassium (K+ ; I-) à une solution d'eau oxygénée ; les ions iodure et les ions oxonium sont en excès. On obtient la courbe ci-dessous donnant l'évolution de la concentration [I2] (le diiode est la seule espèce colorée) en fonction du temps.

  1. Faire l'inventaire des espèces chimiques présentes dans l'état initial, et dans l'état final en justifiant.
  2. Proposer une technique de suivi cinétique de cette transformation chimique.
  3. Préciser l'évolution de la concentration de chaque espèce au cours du temps.
    - A partir de la courbe, comparer les vitesses de réaction aux instants : t = 100s et t = 400s.
    - Quel facteur cinétique justifie ce résultat ?
    - Donner l'allure de la courbe si on reproduit l'expérience à une température plus élevée. Justifier.

 

 

corrigé
état initial : K+ ; I- ; H2O2 ; 2H3O+ ; H2O

état final : K+ ; I- ; 2H3O+ ; H2O ; I2 ;

H2O2 étant en défaut est entierement consommée.

On peut suivre l'évolution de la cinétique par spectrophotométrie : le diiode est la seule espèce colorée ; aux faibles concentrations, l'absorbance A et la concentration [I2] sont proportionnelles.

K+ est spectateur, sa concentration ne varie pas

H2O2 ; I- ; H3O+ sont des réactifs : leurs concentrations diminuent au cours du temps.

I2 est un produit ; sa concentration augmente au cours du temps.

La vitesse est donnée par le coefficient directeur de la tangente à la courbe, à la date considérée.

(1) tangente très inclinée sur l'horizontale : coefficient directeur important

(2) tangente peu inclinée sur l'horizontale : coefficient directeur faible

la vitesse de la réaction diminue au cours du temps car les concentrations des réactifs diminuent.

A une température plus élevée, la vitesse est plus rapide et on atteint plus rapidement l'état final ( courbe rouge).

facteurs cinétiques

Les graphes représentent l'avancement x d'une transformation au cours du temps, lorsqu'on fait réagir 1 mol d'éthanoate d'éthyle et 1 mol d'eau ; les conditions expérimentales varient.
expérience A : q=50°C, sans acide sulfurique

expérience B : q=50°C, 2 mL acide sulfurique concentré

expérience C : q=80°C, 2 mL acide sulfurique concentré
  1. Ecrire l'équation de la réaction associée à la transformation. Entourer les groupes fonctionnels ; les nommer. Quel est le nom de cette transformation.
  2. Attribuer chaque courbe à expérience ; donner les unités des grandeurs représentées ; préciser les facteurs cinétiques mis en jeu.
  3. Comment évolue la vitesse de réaction de l'expérience 1. Justifier sans calcul
  4. Donner deux caractéristiques de cette transformation.
  5. Quel type de montage permet de réaliser l'expérience C ?
 

corrigé
hydrolyse d'un ester

unités des grandeurs représentées : x avancement en mol ; t durée en heures

courbe 1 : expérience C : q=80°C, 2 mL acide sulfurique concentré : précence d'un catalyseur et température la plus élevée

courbe 2 : expérience B : q=50°C, 2 mL acide sulfurique concentré : température plus faible et présence d'un catalyseur

courbe 3 : expérience A : q=50°C, sans catalyseur

facteurs cinétiques mis en jeu : catalyseur et température.

La vitesse est donnée par le coefficient directeur de la tangente à la courbe, à la date considérée.

La vitesse de la réaction diminue au cours du temps car les concentrations des réactifs diminuent.

caractéristiques de cette hydrolyse : lente, limitée par l'estérification

Le montage à reflux permet de réaliser l'expérience C.

suivi d'une transformation par conductimétrie

En présence d'eau, le 2-chloro-2-méthylpropane (CH3)3C-Cl subit une transformation qui conduit à la formation d'un alcool. Cette transformation est totale mais relativement lente.

(CH3)3C-Cl (l) + H2O (l) = (CH3)3C -OH (l) + H3O+ (aq) + Cl-(aq)

Qtés de matière initiales : n1 = 3 mmol de 2-chloro-2-méthylpropane et 100 mL d'eau en excès.

  1. Etablir le tableau d'évolution du système.
  2. Cette transformation est suivie par conductimétrie. Quelle(s) est (sont) la (les) espèce(s) chimique(s) qui rende(nt) la solution conductrice ?
  3. L'intensité I du courant étant proportionnelle à la concentration des ions chlorure [Cl-] quelle relation existe t-il entre ces deux grandeurs ? Préciser les unités.
  4. Déterminer graphiquement le temps de demi réaction t1/2.
  5. Comment procéder pour faire diminuer ce temps de demi réaction ?
  6. Calculer la concentration finale [Cl-]max des ions chlorure dans le mélange réactionnel.
corrigé

(CH3)3C-Cl (l)
+ H2O (l)
=(CH3)3C -OH (l)
+ H3O+ (aq)
+ Cl-(aq)
initial
3 mmol
solvant en excès
0
0
0
en cours
3-x
x
x
x
fin
3-xfin=0
xfin = 3 mmol
xfin
xfin

Les ions chlorure Cl- et oxonium H3O+ rendent la solution conductrice.

L'intensité I du courant est proportionnelle à la concentration des ions chlorure [Cl-] : [Cl-] = k I

avec k une constante, I en ampère, [Cl-] en mol m-3.

au delà de 5 minutes la réaction est terminée : [Cl-] = 3 10-3 / 100 10-6 = 30 mol m-3 et I= 0,025 A

d'où k = 30 / 0,025 = 1200 mol m-3 A-1.

Pour faire diminuer ce temps de demi réaction on peut travailler à température plus élevée et utiliser un catalyseur.

concentration finale [Cl-]max des ions chlorure dans le mélange réactionnel :

Qté de matière d'ion chlorure en mol / volume de la solution en L = 3 10-3 / 100 10-3 = 0,03 mol / L.


spectrophotométrie

On réalise une échelle de teintes à partir de solutions de concentrations massiques connues en ions fer III. Ces ions complexés par les ions thiocyanates donnent à la solution une teinte rouge. On mesure l'absorbance A de chaque solution par spectrophotométrie.

On mesure l'absorbance Avin d'un échantillon de vin blanc par la même méthode : Avin = 0,45.

  1. Quelle méthode de dosage a-t-on utilisée ?
  2. Déterminer la concentration massique en ion fer III de l'échantillon de vin.
  3. Pour réaliser l'échelle de teintes, on dispose d'une solution mère à 10 mg.L-1. Quelle verrerie doit-on utiliser pour préparer 50 mL d'une solution à 2 mg/L ? Comment s'appelle l'opération réalisée ?
  4. Quel est le matériel nécessaire pour faire ces mesures d'absorbance ? Rappeler le principe d'utilisation de celui-ci.
corrigé
Dosage par étalonnage, on compare l'échantillon à doser à une série d'échantillons étalons.

La méthode de dosage nécessite de préparer une échelle de teintes, c'est à dire un ensemble de solutions étalons ( de concentrations connues) ; puis on compare la teinte de la solution dont on veut déterminer la concentration, aux teintes des solutions étalons..

 Concentration massique en ion fer III de l'échantillon de vin : Avin = 0,45.

A = 1,33 C soit Cvin = A/1,33 = 0,45 / 1,33 =0,34 mg /L.

Dilution de la solution mère :

le facteur de dilution vaut : concentration solution mère / concentration solution fille = 10 / 2 = 5.

le volume de la pipette sera : volume fiole jaugée / facteur de dilution = 50 / 5 = 10 mL

prélever 10 mL de solution mère à l'aide d'une pipette graduée

placer dans la fiole jaugée de 50 mL et compléter àvec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge, puis agiter.

spectrophotomètre :

Rechercher d'abord la longueur d'onde l pour laquelle la solution présente le maximum d'absorption.

Les mesures d'absorbances seront faites à cette longueur d'onde.

Mesurer d'abord l'absorbance du solvant, l'eau dans ce cas, puis l'absorbances des solutions étalons.


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