TS Partie 2 : comprendre. Chapitre 5 chimie. Temps et évolution chimique

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1 Chapitre 5 chimie Temps et évolution chimique Pré requis : 4 ème et 1 ère S réactif, produit, réactif limitant, avancement Compétences : Mettre en œuvre une démarche expérimentale pour suivre dans le temps une synthèse organique par CCM et en estimer la durée. Mettre en oeuvre une démarche expérimentale pour mettre en évidence quelques paramètres influençant l évolution temporelle d une réaction chimique : concentration, température, solvant. Déterminer un temps de demi-réaction. Mettre en oeuvre une démarche expérimentale pour mettre en évidence le rôle d un catalyseur. Extraire et exploiter des informations sur la catalyse, notamment en milieu biologique et dans le domaine industriel, pour en dégager l intérêt. I. Rappels sur les réactions chimiques Une réaction chimique a lieu lorsque la ou les entités de départ (atomes, ions ou molécules) se transforment pour donner une ou plusieurs autres entités. Exemple : Coefficients STOECHIOMETRIQUES CO NH 3 CO(NH 2 ) 2 + H 2 O REACTIFS (Avant) PRODUITS (Après) Une équation chimique doit être équilibrée : les coefficients stœchiométriques doivent être tels qu on retrouve toujours autant d atomes de chaque élément chimique avant et après la réaction. En présence d ions, il faut veiller à ce que la charge totale du côté des réactifs soit égale à la charge totale du côté des produits. Exemple : Fe + HCl Fe 2+ + Cl - + H 2 Le tableau d avancement Le tableau d avancement permet de connaître la quantité de produits formés au cours d une réaction mais aussi de savoir si l un des réactifs n a pas été introduit en quantité insuffisante (réactif en défaut). Exemple : On fait réagir 3 mol de gaz carbonique avec 5 mol d ammoniac. Etat du système Avancement CO NH 3 CO(NH 2 ) 2 + H 2 O initial x = intermédiaire x 3 - x 5 2 x 0 + x 0 + x final x max = Partie II : Evolution Chimique 1/ 7

2 Pour trouver l état final, on résout les équations du côté des réactifs exclusivement : 3 x = 0 x = 3 mol 5 2 x = 0 x = 2,5 mol La bonne solution est toujours la plus petite, ici : x max = 2,5 mol On remplace alors x dans la dernière ligne du tableau et on obtient l état du milieu réactionnel en fin de réaction : final x max = 2,5 3 2,5 = 0,5 mol 5 2 2,5 = 0 mol 0 + 2,5 = 2,5 mol 0 + 2,5 = 2,5 mol Ainsi cette réaction a produit 2,5 mol d urée et 2,5 mol d eau. Il reste 0,5 mol de gaz carbonique qui n a pas réagi = réactif en excès. L ammoniac est le réactif en défaut. Exercice : On brûle 2 mol de butane C 4 H 10 dans 4,5 mol de dioxygène. Il se forme de l eau et du gaz carbonique. a) Etablir l équation bilan de la réaction chimique qui se produit lors de cette combustion. b) A l aide d un tableau d avancement, déterminer le réactif limitant c) Déduire du tableau les masses d eau et de gaz carbonique obtenues. II. Cinétique chimique 1. Définitions La cinétique chimique étudie l évolution dans le temps des systèmes chimiques. Comment évaluer la durée d une réaction chimique? Peut on modifier cette durée? Définition : Une réaction est dite rapide lorsqu elle est achevée dès que les réactifs sont mis en contact. Exemple : explosion, décoloration des ions permanganate au contact des ions fer II. Définition : Une réaction est dite lente lorsqu elle dure de quelques secondes à plusieurs dizaines de minutes. Exemple : Réaction entre le permanganate de potassium dilué et acidifié et l acide oxalique (1M), Formation du diiode par réaction entre l eau oxygénée et les ions iodure en milieu acide. Formation de la rouille. 2. Suivi temporel d une réaction chimique et temps de demi-réaction TP La durée d une transformation chimique est la durée entre l état initial et l état final d un système siège d une réaction chimique. Diverses méthodes de suivi : changement de couleur, titrage, CCM. Partie II : Evolution Chimique 2/ 7

3 Le temps de demi réaction, noté t 1/2, est la durée nécessaire pour que l avancement atteigne la moitié de sa valeur finale : x = x f /2 Considérons la réaction suivante : S 2 O 2-8 (aq) + 2I - (aq) I 2 (aq) + 2 SO 2-4 (aq) Initial En cours 5 -x 10-2x x 2x Final On mélange à l origine du temps (t 0 = 0) 5 mol de S 2 O 8 2- avec 10 mol de I -. L évolution du système chimique est alors telle que : n (mol) 10 nso 4 2- n = f (t) t 1/2 On remarque que : n I- - La quantité de réactifs diminue de moins en moins vite au fil du temps. - La quantité de produits augmente de moins en moins vite au fil du temps. - La durée de la réaction n est pas clairement définissable car les courbes sont asymptotiques. - A la date t = t 1/2 le réactif limitant a été à moitié consommé. III. Facteurs cinétiques TP Les facteurs cinétiques sont les paramètres susceptibles de modifier la durée d une transformation chimique. Les plus courants sont : La concentration des réactifs (leur augmentation diminue généralement la durée de la transformation. La température : accélération de la transformation Le solvant (il peut favoriser ou non, dépend de la polarité des molécules. Etat de surface pour un réactif solide (solide divisé, réaction plus rapide) Ajout d un catalyseur. Exemple : température En chimie si réaction s emballe : trempe Temps Figure 1 : Evolution du système chimique n 80 C 20 C Temps t 1/2 (80 ) t 1/2 (20 ) Figure 3 Partie II : Evolution Chimique 3/ 7

4 IV. La catalyse TP Définition : Un catalyseur est une substance qui accélère une réaction chimique sans apparaître dans l équation bilan. Remarques : Lorsque le catalyseur est dans le même état physique que les réactifs, on parle de catalyse HOMOGENE. Dans le cas contraire elle est dite HETEROGENE. Lorsque le catalyseur est une enzyme (=protéine) on parle de catalyse ENZYMATIQUE. - Le catalyseur interagit toujours avec les réactifs. Néanmoins il est toujours présent en début et en fin de réaction dans le même état physique et en même quantité. - Un catalyseur ne peut pas rendre possible une réaction qui sans lui ne se fait pas. - Les catalyses enzymatiques sont parmi les plus efficaces. Le catalyseur est alors une protéine dont le nom finit généralement par «ase». (ex : amylase salivaire, uréase, ) Exercice : On fait réagir du dihydrogène avec de l éthène (ou éthylène). La réaction forme alors de l éthane. La quantité de dihydrogène au cours de cette transformation est indiquée par le graphe ci-contre. a) Ecrire l équation bilan de la réaction. b) Cette réaction est-elle rapide? Justifier. c) Quel est le réactif limitant? Justifier. d) Déterminer la quantité initiale de chacun des réactifs. e) Déterminer la valeur de l avancement maximal. f) Déterminer graphiquement la valeur du temps de demi-réaction n H2 (mmol) Temps (s) Doc P264 livre : catalyseur dans l industrie Partie II : Evolution Chimique 4/ 7

5 Partie II : Evolution Chimique 5/ 7 Réponses 1. a. Avantages relevés dans les documents Document 7 : - La présence de catalyseur augmente la vitesse d une réaction donc diminue sa durée, d où un gain de temps. - Une petite quantité de catalyseur est suffisante pour transformer une grande quantité de produit, d où un faible coût. Document 8 : - Utiliser un catalyseur permet d éviter un chauffage important et de réduire ainsi le coût énergétique de la transformation. b. Un catalyseur est sélectif s il ne catalyse qu une réaction parmi les différentes réactions possibles entre les réactifs introduits. Dans le document 10, on observe que le catalyseur utilisé permet de ne transformer que l une des deux fonctions acide carboxylique de l acide glutamique, celle qui est proche de la fonction amine. c. D après le document 9, les enzymes sont efficaces dans des conditions douces (ph neutre, température peu élevées) qui sont celles que l on retrouve dans les organismes vivants. d. Un catalyseur est régénéré en fin de réaction. Le recycler consiste à le séparer du milieu réactionnel en fin de réaction pour pouvoir le réutiliser. 2. Faire une recherche Quelques pistes pour orienter les recherches des élèves : - Utilisation de la catalyse enzymatique dans l industrie agroalimentaire (panification, laiterie). - Polymérisation Ziegler Natta. - Craquage des hydrocarbures. - Synthèse de l ammoniac. - Synthèse de l acide sulfurique. Ex 9 p a. On peut choisir x d = 0,50. - b. Bleu t d = 6 min, rouge t d = 10 min. - c. Plus la température est élevée, plus t d est faible : donc la courbe bleue correspond à = 30 C et la rouge à = 20 C. Ex 12 p a. Les conditions initiales diffèrent par la concentration initiale en éthène qui est le paramètre étudié. b. L éthène est peu soluble dans l eau donc même si augmenter sa concentration permet de diminuer la durée de la transformation, l industriel sera limité par cette faible solubilité. c. Il faut réaliser la réaction avec une concentration initiale en dioxygène dissous différentes, toutes autres choses égales par ailleurs. La concentration en dioxygène aqueux est proportionnelle à la pression de l air qui surmonte la solution ; pour la modifier, il faut donc modifier la pression. On peut par exemple choisir les conditions de l expérience 3 du tableau ci-dessous. d. Il faut de nouveau répéter l expérience en ne modifiant qu un paramètre (expériences 4 et 5). e. Il faut une expérience témoin (ici l expérience 1), puis une expérience par paramètre à tester (pour chaque expérience, on ne fait varier qu un seul paramètre par rapport à l expérience témoin). Il faut donc k + 1 expériences. Expérience Pression 10 bar 10 bar 5 bar 10 bar 10 bar Concentration initiale en éthène 1,0 mmoll -1 0,1 mmoll -1 1,0 mmoll -1 1,0 mmoll -1 1,0 mmoll -1 Concentration en chlorure de palladium 2,0 mmoll -1 2,0 mmoll -1 2,0 mmoll -1 5,0 mmoll -1 2,0 mmoll -1

6 Température 40 C 40 C 40 C 40 C 30 C concentration concentration Paramètre concentration initiale en en chlorure de température étudié initiale en O éthène 2 palladium Ex 17 p277 a. Le temps de demi-réaction est la date à laquelle l avancement est égal à la moitié de l avancement maximal, ce qui correspond ici à la date où la concentration en S est égale à la moitié de sa concentration initiale. Concentration initiale en enzyme 2c c 0,5c t 1/2 (s) 0,15 0,3 0,6 b. Plus la concentration initiale en enzyme est importante, plus le temps de demi-réaction est court. c. Le rôle catalytique de l enzyme est interprété par la formation d une espèce intermédiaire appelée complexe enzyme-substrat qui s établit par formation de liaisons faibles entre le substrat (ici le saccharose) et l enzyme. La réaction est d autant plus rapide que de nombreuses molécules d enzyme sont présentes pour accueillir les molécules de substrat. Exemples de liens Internet : enzyme_action_and_the_hydrolys is_of_sucrose.html, Deux grandeurs sont proportionnelles si leur quotient est constant. Deux grandeurs sont inversement proportionnelles si leur produit est constant. Pour la réaction 1 = 130 = 128,8 = 129 On peut considérer que ce quotient est constant, donc t 1/2 est proportionnel à c 0. La dernière valeur t 1/2 du tableau (en s) doit vérifier = 129 ; d où t 1/2 = 26 s. Pour la réaction ,4 = ,2 = ,7 = 85 On peut considérer que ce produit est constant, donc t 1/2 est inversement proportionnel à c 0. La dernière valeur t 1/2 du tableau (en s) doit vérifier t 1/2 0,2 = 84 d où t 1/2 = 420 s a. Le diiode donne une couleur jaune à la solution (en réalité le diiode est dissous dans une solution d iodure de potassium afin d augmenter sa solubilité, c est l ion triiodure I 3 - qui donne sa couleur jaune à la solution). On peut donc suivre l évolution de la concentration en I 2 en mesurant l absorbance, qui lui, est proportionnelle. b. Il faut réaliser le spectre de la solution et déterminer la longueur d onde pour laquelle l absorbance est maximale. On se place ensuite à cette longueur d onde pour réaliser les mesures. Partie II : Evolution Chimique 6/ 7

7 2. a. Les échantillons de volume V = 5,0 ml seront prélevés à l aide d une pipette jaugée de 5,0 ml. L échantillon de volume V a sera mesuré à l aide d une burette (qui permet d introduire facilement et précisément des échantillons de volume variable entre 2,0 et 10,0 ml). Enfin, le volume V e d eau distillée sera mesuré à l aide d une éprouvette graduée de 50 ml. b. Matériel : - spectrophotomètre - cuves - 2 pipettes jaugées de 5,0 ml - 1 burette graduée et son support - 1 éprouvette graduée de 50 ml - 4 béchers de 100 ml - 1 agitateur magnétique - 1 barreau magnétique 3. a. Le volume d eau est choisi de sorte que le volume total soit toujours égal à 50 ml pour toutes les expériences. Ainsi, les concentrations initiales en propanone et en diiode seront toujours égales, seule la concentration en acide chlorhydrique variera. Partie II : Evolution Chimique 7/ 7

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