Leçon III : Catalyse

Transcription

1 Leçon III : Catalyse Ex 1. Questions de cours 1. Le titre d'une eau oxygénée s'exprime souvent en volumes. A quoi cela correspond-il? 2. Quel est le rôle d'un catalyseur? 3. Quelles sont les principales propriétés d'un catalyseur? 4. Définir la catalyse homogène. 5. Le catalyseur subit-il des transformations au cours des différentes étapes d'une catalyse homogène? 6. Qu'est-ce qu'un intermédiaire réactionnel en catalyse homogène? 7. Quand y a-t-il autocatalyse? 8. Définir la catalyse hétérogène. 9. Qu'est-ce que l'adsorption? 10. Quelles sont les propriétés des enzymes? 11. Pourquoi les catalyseurs solides sont-ils utilisés sous forme de poudre ou de mousse? 1.Le titre d une eau oxygénée correspond au volume de dioxygène que peut libérer 1 L de cette eau (dans les conditions normales de pression et de température) lorsqu elle se décompose par dismutation. 2.Un catalyseur a pour rôle d augmenter la vitesse de réaction (il peut aussi avoir un rôle sélectif) 3.Un catalyseur abaisse l énergie d activation d'une réaction ; il s utilise en petite quantité ; il peut intervenir dans le mécanisme de réaction mais se retrouve intact à la fin de la réaction. 4.Lorsque le catalyseur et le milieu réactionnel ne forment qu une seule phase on a une catalyse homogène. 5.Le catalyseur peut subir une transformation mais ensuite il est régénéré. 6.Un intermédiaire réactionnel est un composé qui apparaît dans une étape du mécanisme de réaction et qui disparaît dans une étape suivante 7.Il y a autocatalyse lorsqu un produit de la réaction a un rôle de catalyseur. 8.Lorsque le catalyseur et le milieu réactionnel forment deux phases on a une catalyse hétérogène. 9.L adsorption se produit lorsque les molécules (gazeuses en général) se fixent temporairement sur un catalyseur solide. 10. Propriétés des enzymes : l enzyme agit sur une molécule déterminée et sur un seul des énantiomères. 11. Pour augmenter la surface de contact (de 300 à 5000 m²/g) on utilise les catalyseurs solides sous forme de poudre ou de mousse. 11

2 Ex 2. Vrai ou Faux? 1) Un catalyseur peut modifier les concentrations finales d'une réaction chimique. 2) Lorsqu'une réaction est thermodynamiquement impossible, elle ne peut se produire même avec la présence d'un catalyseur. 3) La température est un catalyseur de la plupart des réactions chimiques. 4) La vitesse de formation du diiode dans la réaction : S 2 O I - 2 SO 4 + I 2, augmente avec la concentration en ions peroxodisulfate. Ceux-ci sont donc catalyseurs de la réaction. 5) En catalyse homogène d'oxydo réduction, il est nécessaire que le catalyseur appartienne à un couple de potentiel standard compris entre ceux des espèces réagissantes. 6) Les enzymes sont des catalyseurs biologiques très spécifiques. 7) La vitesse initiale de formation des produits dans une réaction autocatalytique est toujours très grande. 1. F. Par définition, un catalyseur n'intervient pas dans le bilan d'une réaction. 2. V. 3. F. La température et le catalyseur sont tous deux des facteurs cinétiques qui augmentent la vitesse d'une réaction mais de manière différente 4. F La concentration des réactifs est un facteur cinétique. 5. V. 6. V. 7. F La vitesse initiale est très faible et augmente dès qu'il y a eu formation d'une petite quantité de produit qui est catalyseur. Ex 3. Critère d'utilisation d'un catalyseur La réaction I Fe 2+ 2I - + 2Fe 3+ n'a pas d'évolution notable dans les conditions usuelles. Est-il possible de réaliser cette réaction en utilisant un catalyseur? Potentiels standard : E (I 2 /I - ) = 0,62 V ; E (Fe 3+ /Fe 2+ ) = 0,77 V Le diiode est moins oxydant que l'ion Fe 3+ la réaction est impossible et le catalyseur ne peut pas la rendre possible. 12

3 Ex L addition d une solution de peroxodisulfate de potassium (K 2 S 2 O 8 ) à une solution de bromure de potassium (KBr) provoque l apparition lente d une couleur orangée. Justifier cette observation et donner l équation-bilan de la réaction 2. On donne les potentiels standard des couples suivants : S 2 O 8 / SO 4 : E 1 =2,01V; Br 2 / Br - : E 2 =1,06V; Fe 3+ / Fe 2+ : E 3 =0,77V; Co 3+ / Co 2+ : E 4 =1,82V; Peut-on envisager de catalyser la réaction précédente par les ions Fe 3+ / Fe 2+? Pourquoi? 3. Peut-on envisager de catalyser la réaction des ions peroxodisulfate avec les ions bromure par une solution d ions Co 2+? Dans l affirmative, donner les équations-bilan des réactions utilisant le catalyseur. 4. Quelle condition nécessaire doit remplir un couple redox pour catalyser la réaction étudiée? Cette condition est-elle suffisante? Quelles autres conditions d ordre cinétique doivent être remplies? corrigé 1. La couleur orangée est due à l apparition de dibrome dont c est la couleur en solution : S 2 O 8 soit : S 2 O 8 + 2e - 2 SO 4 2 Br - Br 2 +2e Br - 2 SO 4 + Br 2 2. Le potentiel standard de Fe 3+ / Fe 2+ étant E 3 = 0,77V, n est pas compris entre 2,01 et 1,06 V. On ne peut donc pas l utiliser pour catalyser la réaction ci-dessus. 3. Par contre le potentiel standard de Co 3+ / Co 2+ est E 4 = 1,82V; il est compris entre 2,01 et 1,06 V. Co 2+ est oxydé en Co 3+ par S 2 O 8 ; dans une deuxième réaction Co 3+ réagit avec Br - pour donner Br 2 et régénérer Co 2+ : S 2 O Co Co SO 4 2 Co Br - Br 2 +2 Co 2+ soit : S 2 O Br - 2 SO 4 + Br 2 es ions du couple Co 3+ / Co 2+ peuvent donc catalyser la réaction. 4. Pour qu un couple redox puisse catalyser une réaction il faut que son potentiel redox soit compris entre ceux des 2 couples de la réaction mise en jeu. Il faut de plus, que les deux réactions successives soient des réactions très rapides. La réaction catalysée est d'autant plus rapide que la concentration du catalyseur est plus grande. 13

4 Ex 5. Dismutation: On sait que le peroxyde d hydrogène H 2 O 2 fait partie de deux couples redox dont les équations sont : H 2 O H 3 O + + 2e - 4H 2 O H 2 O 2 + 2H 2 O 2 H 3 O + + O 2 + 2e - Afin d étudier la décomposition d une solution de peroxyde d hydrogène dans certaines conditions expérimentales, on ajoute du chlorure de fer (III), orangé, à cette solution. On fait les sept constatations suivantes : 1. Il se produit un dégagement gazeux ; 2. Ce dégagement gazeux commence lorsque l on ajoute des ions Fe(III) ; 3. Ce dégagement gazeux est du dioxygène ; 4. Tant que dure le dégagement gazeux, la solution prend une teinte foncée ; 5. Lorsque le dégagement gazeux cesse, il suffit de verser à nouveau du peroxyde d hydrogène pour que ce dégagement gazeux recommence, ce phénomène pouvant se reproduire aussi souvent que l on veut ; 6. Le ph ne varie pas ; la solution reprend sa teinte orangée lorsque le dégagement gazeux cesse ; 7. Parmi les sept constatations faites ci-dessus, citez -en-deux (en justifiant) : a) qui donnent des renseignements sur le bilan de la décomposition du peroxyde d hydrogène ; b) qui montrent que le chlorure de fer(iii) est un catalyseur de la réaction ; c) qui donnent des informations sur le mode d action du catalyseur ; corrigé a) Deux constatations renseignent sur le bilan de la décomposition de l eau oxygènée : constatation n 3 :il y a dégagement gazeux de dioxygène constatation n 6 : le ph ne varie pas En effet le bilan réactionnel est : 2 H 2 O 2 2H 2 O + O 2 il y a bien formation de dioxygène et l espèce H 3 O + n apparaît pas. b) Catalyseur constatation n 2 :commencement de dégagement gazeux avec l addition d ions ferriques constatation n 5 : à la fin de la réaction, le catalyseur n'est pas consommé puisque la réaction recommence à chaque fois que l'on rajoute de l'eau oxygénée. c) Mode d action du catalyseur constatation n 4 : la couleur des ions Fe 3+ disparaît, ils ont donc réagi constatation n 7 : la solution reprend sa couleur orangée quand le dégagement gazeux cesse : il y a régénération des ions Fe 3+ au cours d'une deuxième réaction. 14

5 Explication supplémentaire : H 2 O 2 H 2 O 1,77 V Fe 3+ Fe 2+ 0,77 V Réaction 2 Réaction 1 - Les ions Fe 3+ sont réduits en ions Fe 2+ selon la réaction 1 : 2 Fe 3+ + H 2 O 2 2 Fe 2+ + O H + - La réaction 2 lui succède, régénérant les ions Fe 3+ : 2 Fe 2+ + H 2 O H + 2 Fe H 2 O - Au bilan on retrouve bien : 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 O 2 H 2 O 2 0,68 V 15