Aurélie sept 2001

devoirs en terminale S

cinétique de réaction bac centres étrangers I- 06 / 01




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Pendant une séance de travaux pratiques, des élèves sont chargés d'étudier la vitesse de la réaction de décomposition de l'eau oxygénée ou peroxyde d'hydrogène.Cette réaction s'effectue en présence d'un catalyseur, solution contenant des ions fer III Fe3+.

La réaction catalysée:

  1. Ecrire l'équation bilan de la réaction de décomposition de l'eau oxygénée (H2O2) sachant qu'elle donne du dioxygène et de l'eau.
  2. Quel est le rôle d'un catalyseur?

influence de la quantité de catalyseur :

On confie à différents groupes d'élèves l'objectif suivant :

Effectuer la réaction avec différentes quantités de catalyseur, afin de déterminer la quantité convenable pour que la décomposition de l'eau oxygénée, tout en demeurant lente, soit pratiquement terminée en une heure.

On constitue quatre groupes A, B, C, D: pour chacun la concentration c d'eau oxygénée (solution mère) est la même. La solution catalytique est également la même. Le procédé est le suivant :

- prélever 10 mL d'eau oxygénée et les introduire dans un bécher qu'on appellera le réacteur.

- ajout d'un volume V1 d'eau.

- à la date t=0, ajouter un volume V2 de catalyseur et déclencher simultanément le chronomètre.

A
B
C
D
V1 (mL)
89
88
87
85
V2 (mL)
1
2
3
5

  1. Dès les premiers instants les élèves constatent que le dégagement gazeux est plus important dans le réacteur du groupe D que dans celui du groupe A. Quelle est l'origine expérimentale de cette différence?
  2. Que permet de déduire cette observation quand à la cinétique de la réaction?

étude cinétique :

A différentes dates imposées les élèves prélèvent à la pipette 10 mL du mélange réactionnel qu'ils placent dans un erlenmeyer contenant 50 mL d'eau distillée glacée. Un dosage par une solution S de permanganate de potassium acidifiée permet de déterminer la quantité d'eau oxygénée restante. A l'équivalence le volume de la solution S versée est notée V3.

A
B
C
D
t=0
18
18
18
18
t=10 min
12,1
9
6,5
4,1
t=20 min
9,4
5,2
3
0,5
t=30 min
7,8
3,1
1,4
0,1
t= 45 min
5,9
1,6
0,5
0,05
t=60 min
5
1
0,3
0
Le calcul de la concentration en mol / L en eau oxygénée est donnée par : [H2O2]= 5V3 ( V3 exprimée en litre)

  1. Attribuer à chaque courbe le groupe correspondant (A, B ou D)
  2. Calculer [H2O2] pour les dates mentionnées dans le cas du groupe C et tracer la courbe [H2O2] = f(t)
  3. Déterminer graphiquement la vitesse instantanée de disparition de l'eau oxygénée à l'instant t= 20 min pour le groupe B.
  4. Pour quelle raison la prise d'essai prélevée à l'instant t est-elle placée dans l'eau glacée?

Concentration initiale :

  1. Déterminer graphiquement la concentration initiale de l'eau oxygénée dans le milieu réactionnel.
  2. En étudiant la composition des mélanges A, B, C, D, montrer que la solution mère d'eau oxygénée a été diluée 10 fois. En déduire la concentration de la solution mère.

Choix de la quantité de catalyseur :

  1. Parmi les 4 courbes obtenues trouver celle qui correspond le mieux à l'objectif fixé.
  2. En déduire la valeur convenable du volume de solution catalytique à utiliser.

.
.


corrigé


H2O2 --> ½ O2 + H2O

un catalyseur augmente la vitesse d'une réaction ; il n'apparaît pas dans le bilan

un catalyseur peut orienter une réaction lorsque deux issues sont possible.


La concentration initiale du catalyseur est 5 fois plus grande dans le réacteur D que dans le réacteur A.

La vitesse de réaction dépend de la concentration du catalyseur.

Dans le réacteur D l'eau oxygénée se décompose plus rapidement que dans le réacteur A.


la courbe (1) correspond au groupe A : il reste à t=60 min 5* 0,005 = 0,025 mol/L de'au oxygénée.

la courbe (2) correspond au groupe B : il reste à t=60 min 1* 0,005 = 0,005 mol/L de'au oxygénée.

la courbe (3) correspond au groupe D : ne reste plus d'eau oxygénée à t=60 min.
temps (min)
0
10
20
30
45
60
[H2O2] mol/L
0,09
0,0325
0,015
0,007
0,0025
0,0015

vitesse de disparition de l'eau oxygénée à t= 20 min :

0,07 / 50 = 1,4 10-3 mol L-1 min-1.

refroidir dans l'eau glacée diminue fortement la vitesse d'une réaction.

La trempe a pour effet de bloquer la réaction de décomposition de l'eau oxygénée: ce qui permet le dosage de l'eau oxygénée restant.


La concentration initiale de l'eau oxygénée dans le milieu réactionnel est de 0,09 mol/L (lecture graphe à t=0)

le volume de la solution dans le réacteur est de 100 mL pour les quatre groupes

10 mL de solution mère + V1 mL eau + V2 mL solution catalyseur

facteur de dilution : volume du réacteur / volume solution mère = 10

la concentration de la solution mère est : 10*0,09 = 0,9 mol/L.


objectif fixé : décomposition totale en 60 min

la courbe C est la plus adaptée.

le volume de solution catalytique est voisin de 3 mL.



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