TP : Etude de deux facteurs cinétiques

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1 TP : Etude de deux facteurs cinétiques Objectifs : Mettre en évidence l'influence de la température et de la concentration d'un réactif sur la vitesse d'une transformation chimique. Calculer des concentrations d'espèces chimiques dans divers mélanges. Savoir dresser un tableau d'avancement et déterminer le réactif limitant. Déduire de ces résultats l'aspect final du mélange réactionnel entre l'acide oxalique H 2 C 2 O 4 et les ions permenganates MnO 4 (aq) Réaliser convenablement des prélèvements à partir d'une solution mère. Connaître les contraintes de sécurité liées à chaque produit et adapter sa manière de manipuler. Matériel et produits : Par groupe : (Trois éprouvettes à gaz +support avec pinces)x3 par groupe Deux grands pots en verre dans lesquels seront versés la glace d'une part, le bain-marie d'autre part. Eprouvettes graduées de 10,25,50mL Deux béchers de 250mL (un pour eau chaude, l'autre pour eau froide) Eau distillée Bain marie Un chronomètre 1 feuille blanche + 1 feutre noir épais. Une burette de 25mL/paillasse Au bureau : Acide oxalique de concentration 5, mol.l -1 (prévoir 50mL par paillasse)+1eprouvette de 10mL/paillasse. Permenganate de potassium de concentration 2, mol.l -1 (prévoir 20mL par paillasse) +une éprouvette gaduée de 5mL par paillasse. Thiosulfate de sodium de concentration 0,25mol.L -1 ( prévoir 150 ml par paillasse) Acide chlorhydrique de concentration 1,0mol.L -1 (prévoir 35mL par paillasse)+1pipette de 5mL/paillasse Acide sulfurique concentré (prévoir une petite bouteille avec 50mL)+une éprouvette (5ou 10 ml) 5 béchers de 250mL Glace Merçi!

2 Nom : Prénom: n groupe: TP : Etude de deux facteurs cinétiques Consignes de sécurité de base: Porter une blouse en coton, pas de nu-pieds Porter des lunettes, des gants (en fonction des espèces chimiques manipulées) Pas de lentilles de contact S attacher les cheveux En cas de doute sur la manière de procéder en manipulant une espèce chimique, demander au professuer ou se reporter au ''Classeur du laboratoire''. Commentaires : Compétence expérimentale: Compte rendu: Bilan: Une transformation chimique n'est pas toujours rapide ; il est cependant possible de modifier la durée d'une transformation chimique en agissant sur certains facteurs dits : facteurs cinétiques. L'objet de ces travaux pratiques est l'étude de deux d'entre eux : La température La concentration de l'un des réactifs. Afin de ne pas superposer leurs influences, lorque l'un variera, l'autre restera constant. 1)Influence de la température Mettre à chauffer de l'eau afin de diposer d'un bain-marie pour la suite à environ 80 C 1.1)Réaction étudiée : C'est l'oxydation de l'acide oxalique H 2 C 2 O 4 par les ions permenganates MnO 4 (aq) en milieu acide (acide sulfurique ; l'acide oxalique est un acide trop faible pour acidifier lui même le milieu réactionnel) Les couples oxydant/réducteur intervenant sont : MnO 4 (aq) / Mn 2+ (aq) et CO 2(g) /H 2 C 2 O 4(aq) Ecrire la demi-équation d'oxydo-réduction pour chaque couple et en déduire l'équation de la réaction d'oxydation de l'acide oxalique par l'ion permenganate. H 2 C 2 O 4 =2CO 2 + 2H + + 2e- (x5) MnO 4 (aq) + 5e - + 8H + (aq) = Mn 2+ (aq) + 4H 2 O (l) (x2) 2MnO 4 (aq) + 6H + (aq) + 5H 2 C 2 O 4 = 2Mn 2+ (aq) + 8H 2 O (l) + 10CO 2 Les ions permanganates sont violets en solution aqueuse ; la solution d'acide oxalique est incolore ainsi que celle d'acide sulfurique qui sert à acidifier le mélange réactionnel. Les ions manganèse(ii) sont incolores en solution aqueuse. Montrer que l'observation du changement de couleur du mélange permet de suivre la durée de la réaction.

3 Comme les seuls ions colorés de la solution sont les ions manganèse MnO 4 (aq) à l'instant initial la solution est violette. Puis au fur et à mesure que l'avancement progresse, il y a de moins en moins d'ions MnO 4 (aq) en solution. La solution se décolore petit à petit. La solution deviendra totalement incolore lors de la disparition totale de ions MnO 4 (aq). (fin de la réaction) Mais cela ne sera possible qu'à la condition de ces mêmes ions soient le réactif limitant. Dans le cas contraire, il en resterai en solution et celle -ci resterait violette en dépit de la fin de la réaction. Passez à la partie 1.2 et repondez aux deux questions suivantes lorsque vous aurez terminé la totalité des questions de ce TP. La concentration de la solution de permanganate de potassium est 2, mol.l -1 et celle de l'acide oxalique est : 5,0.10-2mol.L -1 Dressez le tableau d'avancement de cette réaction et déterminez le réactif limitant. Au regard de la très forte concentration en ions H + et de l'exces d'eau, on se contentera dans le tableau d'avancement suivant de ne faire figurer que les espèces chimiques des deux coulpe redox. Détermination des quantités de matère à l'état initial : n(mno 4 (aq) )=C(MnO 4 (aq) ) x V(MnO 4 (aq) )=2, x = mol n(h 2 C 2 O 4 )=C(H 2 C 2 O 4 ) x V(H 2 C 2 O 4 )=5, x = 1, mol Équation chimique 2MnO 4 (aq) + 5H 2 C 2 O 4 -> 2Mn 2+ (aq) + 2CO 2 Etat du système Avancement (en mol) Quantités de matières (en mol ) État initial X= mol 1, mol 0 0 En cours de transformation X X 1, X 2X 2X État final X f =X max n f,mno4 = = x max n f,h2c2o4 =1, x max 2Xmax 2Xmax Nous avons deux équations : Pour MnO 4 (aq) à l'état final : n f,mno4(aq) 0 d'ou x max Pour H 2 C 2 O 4 à l'état final : n f,h2c2o4 0 d'ou 0 1, x max Xmax doit donc satisfaire à ce système de deux équations x max x max 0 1, x max x max On en déduit donc que la première valeur dexmax qui satisfait le système est Xmax= mol Si on remplace Xmax par sa valeur dans le tableau on obtient : n f,mno4(aq) = x = 0 mol n f,h2c2o4 =1, x = 1, mol Le réactif limitant est MnO 4 (aq) donc la décoloration de la solution sera totale. Déduisez de la question précédente si la décoloration de la solution sera totale? Le réactif limitant est MnO 4 (aq) donc la décoloration de la solution sera totale. La totalité de MnO 4 (aq) a disparu alors que c'était la seule espèce chimique à colorer la solution.

4 1.2)Préparation des mélanges Suivre le mode opératoire ci-dessous. Dans trois éprouvettes à gaz, verser 4mL de la solution de permenganate de potassium et 1mL d'acide sulfurique concentré. (cette étape doit se faire sous la hotte) Placer une éprouvette dans la glace (mélange n 1), une deuxième dans le bain-marie (mélange n 3) et laisser la troisième à la température ambiante (mélange n 2) Ajouter au contenu de l'éprouvette n 1 3mL d'acide oxalique et déclencher à cet instant le chronomètre. Noter la durée Δt 1 nécessaire à la décoloration. Recommencer la dernière étape avec les éprouvettes n 2 et 3 Noter les différentes durées ci-dessous Δt 1 = Δt 2 = Δt 3 = Conclure sur l'influence de la température sur la durée de la réaction. Plus la température est élevée, et plus la réaction est rapide. 2)Influence de la concentration d'un réactif 2.1)Réaction étudiée On étudie la dismutation de l'ion thiosulfate S 2 O 3 en milieu acide. L'ion S 2 O 3 appartient à deux couples oxydant/réducteur : dans le couples 2 O 3 (aq)/s(s) il est oxydant, dans le couple SO 2 (g)/s 2 O 3 (aq) il est réducteur. En milieu acide S 2 O 3 oxydant réagit sur S 2 O 3 réducteur. Ecrire la demi-équation relative à chaque couple. 6H + +S 2 O 3 +4e - 2S(s)+3H 2 O 2H + +2SO 2 (g)+4e - S 2 O 3 +H 2 O En déduire l'équation de la réaction de dismutation : 4H + +2S 2 O 3 2SO 2 (g) +2S(s)+2H 2 O L'acidification est obtenue par ajout d'acide chlorhydrique. Les solution d'acide chlorhydrique et de thiosulfate de sodium sont incolores et transparantes ; le dioxyde de soufre est un gaz, le soufre apparaît ici sous la forme d'un précipité qui opacifie progressivement le mélange réactionnel. Un milieu réactionnel qui s'opacifie rapidement signifie que la transformation est rapide. A l'inverse un milieu réactionnel qui s'opacifie lentement signifie que la transformation est lente. 2.2)Mode opératoire Les solutions mises à disposition sont : Solution de thiosulfate de sodium 2Na + (aq)+s 2 O 3 (aq) de concentration C 1 =0,25mol.L -1 Une solution d'acide chlorhydrique H+(aq) (ou H3O+)+ Cl-(aq) de concentration C 2 =1,0mol.L -1 Eau distillée

5 Dessiner sous un bécher de 250mL une croix noire ( assez fortement marquée) et le poser sur une feuille blanche. Verser dans le bécher successivement les mélanges précisés dans le tableau cidessous en respectant l'ordre suivant : en premier la solution de thiosulfate de sodium, puis l'eau ; Déclancher un chronomètre au moment précis où la solution d'acide chlorhydrique est transvasée en dernier. Regarder au dessus du bécher et noter la durée necessaire pour que la croix ne soit plus visible en raison de l'opacification du mélange par la précipitation du soufre. Tableau des mélanges : V 1 : Volume de la solution de thiosulfate de sodium, V 2 : Volume d'acide chlorhydrique, V 3 : volume d'eau. Mélanges V 1 (ml) V 2 (ml) V 3 (ml) Durée )Résultats Calculer dans chaque mélange, les concentrations [S 2 O 3 (aq)] et [H + ] ; compléter le tableau cidessous. Calcul de la quantité de matière en S 2 O 3 (aq) introduite dans le mélange 1 n=c 1 xv 1 =0,25x =2, mol Le volume ou siège la réaction est V total = = L Calcul de la concentration [S 2 O 3 (aq)] dans le mélange 1 n [S 2 O 3 (aq)]= = 2, =4,510-2 mol.l -1 Vtotal Calcul de la quantité de matière en H + introduite dans le mélange 1 n=c 2 xv 1 =1x =10-2 mol Le volume ou siège la réaction est V total = = L Calcul de la concentration [H + ] dans le mélange 1 n [H + )]= = Vtotal =4,510-2 mol.l -1 Mélanges [S 2 O 3 (aq)]en mol.l -1 [H + ] en mol.l , ,09 2 9, ,09 3 1, ,09 4 1, ,09 Quel est le réactif dont la concentration a varié? S 2 O 3 (aq) Quelle est l'influence d'une telle variation sur la durée de la transformation? Plus le milieu réactionnel est concentré en réactif S 2 O 3 (aq) et plus la réaction est rapide. Conclusions : Quelle est l'influence de la température sur la durée d'une transformation chimique? Plus la température est élevée, et plus la réaction est rapide. Quelle est l'influence de la concentration d'un réactif sur la durée d'une transformation chimique : Plus le milieu réactionnel est concentré en réactif et plus la réaction est rapide.