SUIVI CINETIQUE PAR ANALYSE CHIMIQUE (CORRECTION)

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1 Chme Termnale S Chaptre Travaux Pratques n a Correcton SUIVI CINETIQUE PAR ANALYSE CHIMIQUE (CORRECTION) 1 PRINCIPE On dose une espèce chmque (réact ou produt du système chmque) à ntervalle de temps réguler an de vor l évoluton de l avancement de la réacton. Pour cela, à dvers nstants, on eectue un prélèvement du mleu réactonnel, on stoppe la réacton de cet échantllon en réalsant une trempe chmque et on dose une des espèces chmques présentes. 1. Dénr ce qu est une trempe chmque. Comment la réalse-t-on? Sur quels paramètres agt-on? Comment appelle-t-on ces paramètres? Une trempe chmque permet de lmter l évoluton d un système chmque en tendant à arrêter les transormatons dont l est le sège. Pour cela, on utlse de la glace plée, que l on ntrodut drectement dans le système (solutons aqueuses) ou que l on dspose en ban thermostaté. L dée est d abasser la température du système chmque ; cette basse de température lmte l agtaton des molécules et abasse consdérablement la vtesse des transormatons. La température est l un des acteurs cnétques sur lesquels l est possble d agr pour accélérer ou rener une réacton chmque. Ic, nous allons ajouter la glace plée dans le système réactonnel : en plus d en abasser la température, nous allons également dluer la soluton et agr ans sur un deuxème acteur cnétque, la concentraton des réacts.. Rappel : quelles dovent être les caractérstques de la réacton de dosage? Une réacton de dosage dot être rapde : l équvalence dot être observée sans ambguïté PREPARATION totale : l aut que les réacts soent entèrement consommés à l équvalence unvoque : aucune autre transormaton ne dot nterérer avec celle du dosage, cec an de ne pas ausser les quanttés de réacts mses en jeu.1 Préparaton du mleu réactonnel Dans un becher de 50 ml, mettre 50,0 ml d eau oxygénée de concentraton C(H O ) = 6, mol.l -1. Ajouter ml d acde sulurque à mol.l -1 (attenton : utlser des gants et une pare de lunettes). Préparer séparément 50,0 ml d odure de potassum de concentraton [I (aq)] = 0,0 mol.l Quelle verrere utlsez-vous pour prélever l eau oxygénée? L eau oxygénée est prélevée à l ade d une ole jaugée de 50,0 ml. La mesure de ce volume dot être la plus précse possble. La ole sera préalablement rncée avec la soluton d eau oxygénée.. Quelle verrere allez-vous utlser pour prélever l acde sulurque et l odure de potassum? Juster. Pour prélever l odure de potassum, nous allons utlser la ole jaugée précédemment utlsée pour le prélèvement de l eau oxygénée. Il aut absolument la rncer à l eau dstllée (deux os) pus à l odure de potassum. En revanche, l acde sulurque sera prélevé à l ade d une éprouvette graduée, compte tenu de la précson qu est requse (ce réact sera probablement en excès compte tenu de sa concentraton, nous le vérerons plus tard). éprouvette graduée ole jaugée. Pourquo aut-l attendre avant d ntrodure l odure de potassum au mleu réactonnel? L dée est c de suvre au cours du temps la cnétque de la réacton ayant leu entre le peroxyde d hydrogène de l eau oxygénée et les ons odure de l odure de potassum. Pour cela, nous allons détermner la composton du mélange réactonnel (pour obtenr l avancement de la réacton) à dérents nstants repérés par rapport à un nstant ntal : celu où le mélange des réacts a leu, marquant ans le début de la transormaton. Au moment où nous ntrodurons l odure de potassum dans le mleu, l audra déclencher le chronomètre.. Préparaton du dosage

2 Chme Termnale S Chaptre Travaux Pratques n a Correcton Remplr la burette avec une soluton de thosulate de sodum de concentraton [S O (aq)] = 4, mol.l -1. Préparer tout le matérel pour réalser la trempe et le dosage. On dosera 10,0 ml du mleu réactonnel à ntervalle de temps réguler dans un pett becher. Remarque : penser à ajouter de l empos d'amdon lorsque la couleur dans votre pett becher devent jaune clar, an d accentuer la coloraton et de meux vsualser l équvalence (passage du bleu à ncolore au leu de passage du jaune pâle à ncolore). Dans la burette graduée, la soluton ttrante de thosulate de sodum ( Na + (aq) + S O (aq)), de concentraton [S O ] = 4, mol.l -1. On note V éq le volume versé à l équvalence. Dans le becher, la soluton ttrée ssue du mélange réactonnel après trempe chmque (le becher dot toujours contenr de la glace). On travalle sur un volume V dosage = 10,0 ml. Lorsque l équvalence approche, on ajoute une goutte d empos d amdon, an de meux apprécer le vrage. Agtateur magnétque et son barreau amanté. Une eulle de paper blanc entre l agtateur et le becher peut permettre de meux dstnguer la couleur du mélange réactonnel. ETUDE CINETIQUE DE L EAU OXYGENEE SUR LES IONS IODURE L acton du peroxyde d hydrogène sur les ons odures orme du dode par réacton lente. On dose le dode ormé par une soluton de thosulate de sodum an de suvre l évoluton de l avancement de la réacton et la vtesse de la réacton..1 Le mleu réactonnel Déclencher le chronomètre lorsqu on ntrodut, rapdement, la soluton d odure de potassum dans le becher : c est le mleu réactonnel S que l on va étuder. Agter. Fare des prélèvements de 10,0 ml du mleu réactonnel S et les placer dans des petts bechers pour réalser le dosage. Tous les systèmes S 1, S, et S 10 sont dentques. Sans arrêter le chronomètre, au bout de 1 mn, stopper la réacton dans S 1 en ajoutant un peu de glace plée dans le pett bêcher. On relève la date avec précson au moment de l ajout de glace (entre 1 mn ou 1 mn 0 maxmum pour S 1 ). Fare la même opératon pour les prélèvements S, à S 10 aux dates respectves (en mn) :, 5, 7, 9, 1, 15, 18 et 5.. Dosage Doser le contenu du prélèvement après la trempe par une soluton de thosulate de sodum.. Explotaton On appellera x 1 l avancement de la réacton dans le mleu réactonnel et x l avancement du dosage. 1. Explquer pourquo le mleu réactonnel devent de plus en plus coloré. Quelle est l espèce responsable de cette coloraton? Comme nous allons le montrer à la queston suvante, le mélange réactonnel est le sège d une transormaton mplquant les ons odure qu sont oxydés par l eau oxygénée : ls se transorment en leur oxydant conjugué, le

3 Chme Termnale S Chaptre Travaux Pratques n a Correcton dode I (aq), dont la partcularté est d être brun en soluton aqueuse. A mesure que la réacton avance, la coloraton brune se at de plus en plus ntense.. Ecrre les couples ntervenant, les dem-équatons électronques et l équaton de la réacton se produsant dans le mleu réactonnel. Comment qualer cette réacton du pont de vue cnétque? H O (aq)/h O(l) : H O (aq) + H + (aq) + e = H O(l) I (aq)/i (aq) : I (aq) = I (aq) + e H O (aq) + I (aq) + H + (aq) = H O(l) + I (aq) S la coloraton brune apparaît rapdement, cela ne veut pas dre que la réacton est rapde (rapde sgnant quas nstantanée). Une réacton ne se termne que lorsque l avancement nal x est attent. Ic, la coloraton se asant de plus en plus ntense, le dode I (aq) est ormé en de plus en plus grande quantté, montrant ans que la réacton contnue de se are : l s agt d une réacton lente, l état nal (système n évoluant plus) étant attent au bout de pluseurs dzanes de mnutes, comme nous le verrons.. Fare le tableau d avancement de cette réacton. En dédure quel est le réact lmtant. équaton de la réacto O + H + + I = H O + I état du système avancement n(h O ) n(h + ) n(i ) n(h O) n(i ) état ntal 0 n(h O ) n(h + ) n(i ) état ntermédare x n(h O ) x 1 n(h + ) x 1 n(i ) x 1 solvant x 1 état nal x = x n(h O ) x 1, n(h + ) x 1, n(i ) x 1, Intalement, O c H O V H O 6, , 0.10, 0.10 mol 0, 0 50, , n I I V I mol H V H mol La réacton met en jeu, d après sa stoechométre, deux os plus d ons odure I (aq) et hydrogène H + (aq) que de peroxyde d hydrogène H O (aq). Or, on remarque qu l y plus de deux os plus d ons odure et d ons hydrogène que de peroxyde d hydrogène : l eau oxygénée est donc le réact lmtant. C est à ce réact que correspond l avancement nal mnmal : S H O (aq) est le réact lmtant, O O x ce qu condut à 1, 0 S H + (aq) est le réact lmtant, 1, x 0 ce qu condut à S I (aq) est le réact lmtant, x1, O, 0.10 mol x1,.10 n I n I x n I 1, 0 ce qu condut à x 1, 5, 0.10 mol Attenton : c les ons H + (aq) ne sont pas placés en excès, ce que l on pourrat are pour davantage de tranqullté Touteos, nous en versons une quantté approxmatve, ce qu n en at pas le réact lmtant c, s tant est qu on en prélève un peu plus de,0 ml. 4. Donner la relaton entre la quantté de peroxyde d hydrogène dsparue et la quantté de dode ormée à la date t quelconque. La stoechométre de l équaton montre qu l se orme autant de dode que de peroxyde d hydrogène consommé, mol x 1,

4 Chme Termnale S Chaptre Travaux Pratques n a Correcton ni O dsparu 5. Ecrre les couples ntervenant, les dem-équatons et l équaton de la réacton de dosage. I (aq)/i (aq) : I (aq) + e = I (aq) S 4 O 6 (aq)/s O (aq) : S O (aq) = S 4 O 6 (aq) + e 6. Fare le tableau d avancement de cette réacton. ormé S O (aq) + I (aq) = S 4 O 6 (aq) + I (aq) équaton de la réacton S O + I = S 4 O 6 + I état du système avancement n(s O ) n(i ) n(s 4 O 6 ) n(i ) état ntal 0 n(s O ) n(i ) 0 état ntermédare x n(s O ) x n(i ) x x x état nal x,max n(s O ) x,max n(i ) x,max x,max x,max 7. Dénr l équvalence et en dédure la relaton entre la quantté de dode présente dans la prse d essa et la quantté d ons thosulates versée à l équvalence. n S O n I éq 8. Donner l expresson de l avancement x max en oncton de V E pus celle de x 1. nso SO VE x,max ni Attenton : on ne dose que 10,0 ml du mélange réactonnel, qu est consttué de 100 ml de soluton. Pour obtenr l avancement du mélange réactonnel à partr du dosage d un dxème de ce mélange, l aut donc tenr compte d un acteur 10. SO VE 4 x1 ni 10,0.10 V ormé,100ml E où V E est exprmé en ml. 9. Fare un tableau avec les valeurs : t, V E et x 1. t (mn) V E (ml) x 1 (mmol) 0,0,1 5,8 8,5 10,4 11,8 1, 14,0 14,7 14,9 0,0 0,6 1, 1,7,1,4,6,8,9,0 10. Tracer la courbe x 1 = (t). (Echelle : abscsse : 1 cm pour mn et ordonnée : 1 cm pour 0, mol). Vor graphque.

5 Chme Termnale S Chaptre Travaux Pratques n a Correcton,5 x x 1 (mmol) Avancement de la réacton en oncton du temps x = x max,5 t x 1,5 x = x max x 1 1 0,5 t 1 t1 4mn t 14 mn t (mn) 0 0 t 1/ DETERMINATION DE LA VITESSE DE REACTION 1. Détermner la vtesse volumque aux dates t 1 = 4 mn et t = 14 mn. Echelle :,7 cm pour 5 mn (abs) ;, cm pour 1,0 mmol (ord) A t 1 = 4 mn 6,1, 0 x1,9 mmol 1 x1 1,9 1 1, v1,4 mmol. L.mn V t ,65 t1 1mn,7 A t = 14 mn 1,5 1,0 x 0,68mmol 1 x 1 0,68, v 0,1 mmol. L.mn V t t mn, Comment évolue cette vtesse au cours du temps? Explquer comment vous vsualsez cette évoluton et essayez de la juster. La vtesse volumque de réacton dmnue. En eet, cette vtesse est proportonnelle à la pente des tangentes successves à la courbe ; ces dernères voyant leur pente décroître au cours du temps (elles sont de mons en mons nclnées par rapport à l axe des abscsses), la vtesse de réacton dmnue au cours du temps. S le volume réactonnel reste constant (100 ml), en revanche, les réacts sont consommés. Cec touche alors un acteur cnétque : la concentraton des réacts. Leur concentraton dmnuant, l y a de mons en mons de réacts susceptbles de réagr dans le mleu : les chocs réactonnels s espacent dans le temps, et la vtesse de réacton dmnue.. Détermner la valeur du temps de dem-réacton. Par lecture graphque, on peut constater que la moté de l avancement nal (lé à H O (aq), réact lmtant) est attente pour t = t 1/ = 4 mn.

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