TPO6 / Suivre l avancement d une réaction chimique par la couleur, il n y a plus de limite!

Transcription

1 TPO6 / Suivre l avancement d une réaction chimique par la couleur, il n y a plus de limite! Noms : Objectifs : Interpréter la couleur d'un système chimique à l'état final Identifier le réactif limitant d'une réaction. Découvrir les proportions stœchiométriques d'un système chimique et les relier à l'équation chimique. Utiliser un tableau d'avancement pour un suivi quantitatif d'une transformation chimique. I. Situation déclenchante : Ne vous inquiétez pas, il y a bien un lien entre les bonbons et la Chimie! Hugo souhaite réaliser des pochettes de bonbons pour ses amis. Une pochette, notée P, se compose de deu réglisses (un réglisse est noté R) et cinq crocodiles (un crocodile est noté C). Hugo se rend dans trois magasins différents pour acheter des bonbons. Chaque paquet contient 20 réglisses. Le nombre de crocodiles contenus dans un paquet acheté est de 20 pour le magasin 1, 50 pour le magasin 2 et 75 pour le magasin 3. o Comment suivre l'avancement de la préparation de pochettes? 1. Comprendre le problème : 1.1. Ecrire l équation traduisant la fabrication d une pochette : R + C = P 1.2. On note n R,i, n C,i et n P,i les quantités initiales respectives de réglisses, de crocodiles et de pochettes. Préciser la valeur de n R,i, n C,i et n P,i pour chacun des trois magasins. Magasin Quantité initiale n R,i de réglisses Quantité initiale n C,i de crocodiles Quantité initiale n P,i de pochettes 2. Raisonner pour le magasin Hugo a préparé 1 pochette à partir des bonbons du magasin 1. Pour 1 pochette préparée, donner le nombre de réglisses et de crocodiles restants. Nombre de réglisses restants :... ; Nombre de crocodiles restants : Hugo a préparé 3 pochettes à partir des bonbons du magasin 1. Pour 3 pochettes préparées, donner le nombre de réglisses et de crocodiles restants. Nombre de réglisses restants :... ; Nombre de crocodiles restants : Hugo a préparé pochettes à partir des bonbons du magasin 1. Pour pochettes préparées, eprimer, en fonction de, le nombre de réglisses et de crocodiles restants. Nombre de réglisses restants :... ; Nombre de crocodiles restants : La valeur permet de suivre l avancement de la préparation des pochettes. Compléter le tableau suivant qui résume la situation. 1 ligne pour les quantités disponibles au départ de la préparation Etat initial = 0 1 ligne pour les quantités quand on fabrique les pochettes 1 colonne pour les réglisses R 1 colonne pour les crocodiles C 1 colonne pour les pochettes P 1

2 o Recherche de l élément limitant 2.5. Quand est-ce que la fabrication de pochettes s arrêtera? Est-ce R ou C qui limite la fabrication des pochettes? 2.6. Si R limite la fabrication, on peut alors écrire : Si C limite la fabrication, on peut alors écrire : Conclusion : De R ou C, qui limite la fabrication des pochettes et pourquoi? Combien de pochettes ont été fabriquées n P,f? Reste-t-il des réglisses n R,f? des crocodiles n C,f? Si oui, de quelle sorte et combien? Compléter le tableau suivant : de la préparation Etat initial = 0 f = ma =... n R,f =... n C,f =... n P,f = Raisonner pour le magasin Pour pochettes préparées, eprimer, en fonction de, le nombre de réglisses et de crocodiles restants. Nombre de réglisses restants :... ; Nombre de crocodiles restants :... o Recherche de l élément limitant : Est-ce R ou C qui limite la fabrication des pochettes? 3.2. Si R limite la fabrication, on peut alors écrire : Si C limite la fabrication, on peut alors écrire : Conclusion : De R ou C, qui limite la fabrication des pochettes? Combien de pochettes ont été fabriquées (n P,f )? Reste-t-il des réglisses (n R,f )? des crocodiles (n C,f )? Si oui, de quelle sorte et combien? Compléter le tableau suivant. de la fabrication Etat initial = 0 f = ma =... (n R,f ) =... (n C,f ) =... (n P,f ) = Raisonner pour le magasin Pour pochettes préparées, eprimer, en fonction de, le nombre de réglisses et de crocodiles restants. Nombre de réglisses restants :... ; Nombre de crocodiles restants :... 2

3 o Recherche de l élément limitant : Est-ce R ou C qui limite la fabrication des pochettes? 4.2. Si R limite la fabrication, on peut alors écrire : Si C limite la fabrication, on peut alors écrire : Conclusion : De R ou C, qui limite la fabrication des pochettes? Combien de pochettes ont été fabriquées n P,f? Reste-t-il des réglisses n R,f? des crocodiles n C,f? Si oui, de quelle sorte et combien? Compléter le tableau suivant : de la préparation Etat initial = 0 = ma ma = n R,f =... n C,f =... n P,f = En quoi la fabrication de pochettes à partir des bonbons du magasin 2 est-elle particulière? Retour à la chimie : Et oui, je vous l avais bien dit! Lu dans l'encyclopédie en ligne Wikipédia : Dans une réaction chimique, le réactif limitant est le réactif qui est totalement transformé, qui disparaît complètement. Il est dit «limitant» car il est responsable de l'arrêt de la réaction. S'il n'y a pas de réactif limitant, c'est qu'à la fin de la réaction tous les réactifs ont été transformés : on dit que les réactifs étaient en proportions stœchiométriques. Faire la correspondance entre les termes utilisés dans la partie précédente et ceu utilisés en chimie. n R,f ; n C,f ; n P,f Bonbons achetés dans un magasin Bonbon en quantité insuffisante Pochette Avancement de la préparation de pochettes Bonbons tous utilisés n R,i ; n C,i ; n P,i Réactif limitant Avancement d une transformation chimique Produit Quantité de matière à l état initial Quantités initiales de réactifs en proportions stœchiométriques Réactifs Quantité de matière à l état final 3

4 II. Etude qualitative des évolutions d un système chimique : Pour vérifier les affirmations de la partie I.6., on étudie le système chimique constitué d'un mélange d'une solution aqueuse de diiode I 2(aq) notée S 1, de concentration c 1 = 1, mol.l 1, et d'une solution de thiosulfate de sodium (Na + (aq) et S 2 O 3 2 (aq) ) notée S 2, de concentration c 2 = 1, mol.l 1. Lors de la transformation chimique, seuls les ions thiosulfate réagissent avec le diiode. o Matériel et solutions : 4 béchers de 100 ml 2 tubes à essais pipettes Agitateur Solution 1 : solution de diiode I 2 (aq) de concentration molaire C 1 = 1, mol.l -1 Solution 2 : solution de thiosulfate de sodium (Na + (aq) + S 2 O 3 (aq) ) de concentration molaire C 2 = 1, mol.l -1. Solution d empois d amidon. Verser environ 60 ml de chaque solution S 1 et S 2 dans deu béchers de 100 ml et noter S 1 et S 2 respectivement sur chaque bécher. o Epériences 1 : Observations préliminaires Le diiode présente une couleur jaune-orangé plus ou moins intense en solution aqueuse. Un test caractéristique permet de vérifier la présence de diiode, c est le test à l empois d amidon. Epérience 1a : Dans 2 tubes à essais, verser environ 2 ml d'empois d'amidon à l'aide d'une pipette. Ajouter 1 ou 2 gouttes de solution de diiode S1 dans l'un et 1 ou 2 gouttes d'eau dans l'autre. Observer. o Conclure : Epérience 1b : Dans un tube à essai, verser environ 2 ml de la solution 2. Ajouter 2 gouttes de la solution 1. Agiter (manuellement) et observer. 1) Faire un schéma annoté de l epérience 1b. 2) Pourquoi peut-on dire qu une réaction chimique a eu lieu? 4

5 o Epériences 2 et 3 : Dans les deu béchers de 100 ml restant, réaliser les epériences suivantes. Pour chacune des epériences ci-dessous, verser le contenu du bécher 1 dans le bécher 2 correspondant. Agiter d ajout et observer au fur et à mesure de l avancée de l epérience. Compléter le tableau. Pour chacune des epériences, indiquer dans le tableau la couleur de la solution finale. Conclure. Epérience 2 Epérience 3 Bécher 1 Bécher 2 Bécher 1 Bécher 2 10 ml de solution 1 40 ml de solution 2 40 ml de solution 1 40 ml de solution 2 Observations intermédiaires Couleur finale Conclusion III. Etude quantitative : «Le tableau d avancement» L équation de la réaction qui s est produite s écrit : I2 (aq) + 2 S2O3 (aq) = 2 I - (aq) + S4O6 (aq) 1) Pour 1 mol de I 2 consommée, quelle quantité d ion S 2 O 3 aura réagi? Quelles seront alors les quantités d ions I - (aq) et S 4 O 6 formées? 2) Si mol de I 2 sont consommées, quelle quantité d ion S 2 O 3 aura réagi? Quelles seront alors les quantités d ions I - (aq) et S 4 O 6 formées? Pour la réaction étudiée, est appelé avancement de la réaction. L évolution de la composition du système chimique peut être décrite dans le tableau ci-dessous. Vous allez le remplir pas à pas avec l epérience 2. 3) Calculer les quantités de matières, en mol, des réactifs introduits et compléter la ligne «état initial». 4) Eprimer, en fonction de l avancement, la ligne «En cours» ( = de réaction) 5) Compléter l avant-dernière ligne du tableau en fonction de ma, l avancement maimal. 6) Méthode pour remplir la dernière ligne de l "" et déterminer ma : L un des réactifs sera à 0 mol en fin de réaction. C est le réactif limitant, il faut donc le déterminer. Pour cela, il faut calculer les valeurs possibles de ma pour chaque réactif et retenir la plus petite de ces valeurs. 7) Calculer les valeurs possibles de ma et en déduire la valeur effective : ma = 8) Calculer alors les quantités finales des réactifs et des produits. Compléter la dernière ligne du tableau avec ces valeurs. 5

6 9) D après la couleur finale du mélange réactionnel, quel réactif a été totalement consommé? Que peut-on en déduire sur la valeur de la quantité de matière finale de ce réactif? Est-ce cohérent avec votre tableau d avancement? Epérience 2 : chimique Etat du système Avancement (en mol) I2 (aq) + 2 S2O3 (aq) = 2 I - (aq) + S4O6 (aq) Quantité de matière en mol n(i 2 ) n(s 2 O 3 ) n(i - ) n(s 4 O 6 ) Etat initial = 0 En cours ma = Reprendre toute cette étude avec l epérience 3 pour compléter directement le tableau. Epérience 3 : chimique Etat du système Avancement (en mol) I2 (aq) + 2 S2O3 (aq) = 2 I - (aq) + S4O6 (aq) Quantité de matière en mol n(i 2 ) n(s 2 O 3 ) n(i - ) n(s 4 O 6 ) Etat initial = 0 En cours ma = Rappeler les proportions stœchiométriques de cette réaction chimique. Dans les conditions stœchiométriques, quels sont les quantités de matières finales des deu réactifs? Si vous avez besoin d aide pour mieu comprendre les tableau d avancement, allez sur le site (site des Sciences physiques du lycée), dirigez-vous dans votre rubrique «Première S» et visualisez les animations (on aurait pu travailler avec des vélos au lieu des bonbons! Et oui, tout peut mener à la Chimie!?). Vous pouvez même vérifier vos résultats avec l application du site : - Entrer les nombres stœchiométriques dans l équation correspondant à la réaction entre le diiode et les ions thiosulfate (l espèce A est le diiode par eemple). - Sans tenir compte des puissances de 10, tester les quantités de matières correspondant successivement au epériences 2 et 3. - Déplacer le curseur pour visualiser l évolution des quantités de matières pendant les manipulations. 6