TP de chimie n 2 : Suivi d une transformation par spectrophotométrie

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1 TS TP de chimie n 2 : Suivi d une transformation par spectrophotométrie Objectifs : Connaître le fonctionnement d un spectrophotomètre et savoir l utiliser. Tracer et exploiter une courbe d étalonnage Préliminaires : Une solution colorée absorbe certaines radiations du spectre visible. Pour un faisceau monochromatique, la proportion de lumière absorbée augmente avec l'épaisseur de solution traversée et avec la concentration de l'espèce colorée, on la mesure à l'aide d'un spectrophotomètre qui mesure une grandeur A, appelée absorbance, sans dimension, qui tient compte du fait que la cuve, le solvant et l'espèce colorée absorbent la lumière. Pour ne mesurer que la contribution de l'espèce colorée on règle l'absorbance à la valeur zéro quand la lumière ne traverse que la cuve et le solvant. A ne mesure ensuite que la contribution due à l'espèce colorée. Si cette espèce n'est pas trop concentrée, l'absorbance est proportionnelle à la concentration de l'espèce colorée. Ici : A = [ I2]. I - Introduction On étudie de nouveau l oxydation des ions iodure par l eau oxygénée. Ecrire l équation de la réaction et dresser le tableau d avancement quand H2O2 est limitant. II ) Etalonnage du spectrophotomètre 1 ) Expérience On note So la solution mère de diiode de concentration C0 = 2, mol/l Chaque groupe réalise une seule dilution, conformément au tableau, en prélevant avec la pipette graduée le volume V0 de solution mère et en complétant avec de l eau distillée dans une fiole de 50,0 ml. Homogénéiser et verser dans un bécher. Noter sur le bécher le numéro de la solution. Solution S1 S2 S3 S3 S5 S6 S7 S8 V0 en ml Absorbance A Concentration en mol/l : [I2] Après avoir lu la notice du (ou des) spectrophotomètre(s) Choisir sur le spectrophotomètre une longueur d onde de 490 nm et introduire une cuve remplie d eau distillée pour régler le «zéro» d absorbance, vérifier ensuite que l'absorbance est inférieure à 2 pour S8 (Si ce n'est pas le cas, augmenter un peu la valeur de et refaire le zéro). Mesurer l absorbance des solutions 1 à 8 par ordre croissant. (Penser à rincer la cuve avec la solution étudiée avant chaque mesure!). Remplissez le tableau. 2 ) Exploitation a) Tracer la courbe d étalonnage donnant l absorbance en fonction de la concentration en diiode. ( 0 <A< 2) b) L'absorbance est-elle proportionnelle à la concentration pour toutes les valeurs de la concentration? En déduire la valeur de. III ) Suivi cinétique de l oxydation des ions iodure 1 ) manipulation Vérifier que le spectrophotomètre est prêt ( sur la longueur d'onde choisie précédemment) en contrôlant le zéro et préparer une cuve pour le mélange à étudier. Préparer le chronomètre qu il faudra déclencher dès le début de la réaction. Introduire dans un bécher : (les quantités seront prélevées avec une éprouvette graduée de contenance appropriée ) - 20,0 ml de solution d iodure de potassium de concentration C0 = 1, mol/l - 10,0 ml de solution d acide sulfurique à 1 mol/l

2 Déclencher le chronomètre en ajoutant 1,0 ml d eau oxygénée ( à environ C= 0,1 mol/l ) Homogénéiser rapidement avant de verser un échantillon du mélange dans la cuve et faire le plus vite possible une mesure de A en relevant la date. Poursuivre les mesures toutes les 30 s quand l évolution est rapide puis espacer les mesures. Arrêter les mesures quand l absorbance est stabilisée ( 30 min environ) Temps (t) A [I2] (mol/l) 2 ) Exploitation a) En exploitant la courbe d étalonnage obtenue dans la partie I, calculer les concentrations en diiode correspondant aux valeurs d absorbance relevées. Compléter le tableau ci-dessus. b) Tracer [I2] = f(t). Décrire la courbe obtenue. c) Calculer les quantités de matière des réactifs à l état initial. A l aide d un tableau d avancement, calculer la valeur théorique de [I2] dans le mélange réactionnel à l état final. Comparer à celle obtenue par spectrophotométrie au bout de 30 minutes. d) A cet instant peut on considérer que la transformation est terminée? bonus (pour ceux quoi ont terminé ) L eau oxygénée diluée se conserve mal, écrire l équation de la réaction de décomposition de H2O2, sachant que cette espèce appartient aux deux couples H2O2/H2O et O2/H2O2

3 TS TP de chimie n 2 : Suivi d une transformation par spectrophotométrie Matériel paillasse élève -feutre pour verrerie -fiole jaugée de 50 ml -pipette graduée de 20 ml + poire -bécher de 75 ou 100mL -bécher de 50 ml -agitateur en verre -éprouvettes de 25mL et de 10mL - spectrophotomètre + notice + 1 cuve par table -chronomètre produits prévoir de spots si les flacons ne sont pas individuels -solution de I2 de concentration 2, mol/l (200mL) flacon + pot par groupe pour que les élèves transvasent - solution de KI de concentration 1, mol/l (500mL) 20mL par binôme -acide sulfurique de concentration 1mol/L (250mL) 10mL par binôme -eau oxygénée de concentration 0,1mol/L (40 ml) 1mL par binôme TS chimie SUIVI TEMPOREL D UNE TRANSFORMATION PAR SPECTROPHOTOMETRIE L objectif du TP est d effectuer le suivi temporel d une transformation chimique par spectrophotométrie. Document : Les solutions colorées Une solution éclairée par de la lumière blanche paraît colorée lorsqu une partie du rayonnement incident est absorbée : Longueur d onde absorbée (nm) Couleur absorbée Couleur perçue (Complémentaire de celle absorbée) Exemples de solution Violet Jaune-vert Bleu Jaune fluorescéine Vert bleu Orange Bleu vert Rouge Vert Pourpre Permanganate de potassium Jaune vert Violet Jaune Bleu Orange Vert-bleu rouge Bleu-vert Sulfate de cuivre

4 Document 2: Spectre d absorption du diiode I-Étude qualitative de la transformation chimique Complétez le mode opératoire en indiquant la verrerie utilisée Mode opératoire : Dans un erlenmeyer, introduire : 5,0 ml d iodure de potassium, K + (aq) +I - (aq), à 1, mol.l -1.en utilisant :..: 20 ml d acide sulfurique, 2H + 2- (aq) + SO 4 (aq), à 2,0 mol.l -1 en utilisant :..: 5,0mL d une solution peroxyde d hydrogène, H 2O 2(aq) à 5, mol.l -1 en utilisant :..: Agiter et observer. Réaliser ce protocole Questions : 1 - a- Que peut-on dire de cette réaction d un point de vue cinétique? b- Ecrire son équation. Couples d oxydo-réduction mis en jeu : H 2O 2(aq) / H 2O (l) et I 2(aq) / I - (aq). 2 -a- Quelle espèce chimique est responsable de la couleur de la solution? b- Cette réaction peut-elle être suivie par spectrophotométrie? Pourquoi? APPEL N 1 Appeler le professeur pour vérifier les réponses aux questions ci-dessus A : Maîtrisé B : Besoin d une aide C : Fragile D : Non maîtrisé II. Suivi temporel de la réaction. Allumer le spectrophotomètre et choisir la longueur d onde de travail. Manipulation : *Faire le zéro du spectrophotomètre avec de l eau distillée dans une cuve propre et sèche. *Prévoir deux autres cuves propres et sèches (l une pour accueillir le mélange, l autre de réserve). *Dans un bécher, préparer un mélange de volume V identique au paragraphe I sans ajouter le peroxyde d hydrogène que vous préparez à côté. *Préparez les manipulations décrites ci-dessous puis : APPEL N 2 Appeler le professeur pour lancer le suivi spectrophotométrique en sa présence A : Maîtrisé B : Besoin d une aide C : Fragile D : Non maîtrisé *Déclencher le chronomètre à l instant où est introduite la solution de peroxyde d hydrogène. *Homogénéiser rapidement ce mélange, en remplir soigneusement la cuve jusqu au niveau indiqué et mesurer l absorbance de ce mélange dès que possible, puis toutes les trente secondes pendant environ une dizaine de minutes, jusqu à ce que l absorbance mesurée ne présente plus d évolution notable. Compléter le tableau suivant : t (s)

5 A Exploitation : 1 a Tracer le graphe A= f(t) sur papier millimétré. b- Analyser l allure de la courbe. c- Déterminer graphiquement la valeur de l absorbance finale A f lorsque le système n évolue plus. d- Quelle est la valeur correspondante du temps, notée t f? 2 -a_ Déterminer les quantités de matière initiales d eau oxygénée et d ions iodure b- A l aide d un tableau d avancement, déterminer le réactif limitant 3 - a- A l aide d une loi bien connue utilisée en spectrophotométrie, montrez que l avancement x(t) est proportionnel à l absorbance A. b- Définissez puis déterminez graphiquement la valeur t1/2. TP : Suivi d une réaction par spectrophotométrie. Matériel 9 groupes: Spectrophotomètre (élève) Erlenmeyer 50 ml Bécher 100 ml (pas large, pour le mélange et versement direct dans la cuve) Deux pipettes jaugées de 5 ml Une éprouvette 50 ml pro pipette Becher de prélèvement (X 2) Lunettes Gants 3 cuves propres et sèches pour spectrophotomètre. Solutions : Solution d iodure de potassium K + (aq) + I - (aq), à 1, mol.l -1 ( sur bureau prof 1,0 L pour 4 classes ) Solution d acide sulfurique 2H + (aq), +SO4 2- (aq), à 2,0 mol.l -1 ( prévoir 60 ml par binôme) Solution de peroxyde d hydrogène, H2O2(aq), à 5, mol.l -1 ( prévoir 15 ml par binôme) Pissette eau distillée

6 TS chimie Expériences autour de la catalyse En 1998, deux chimistes ont publié une liste de douze principes nécessaires à l établissement d une chimie verte : l utilisation de la catalyse en fait partie. Un catalyseur est une espèce chimique qui permet d augmenter la vitesse d une réaction mais qui n apparaît pas dans l équation de cette réaction [ ]. Il n est pas consommé et se retrouve inaltéré à la fin de la réaction. Il suffit alors d une très petite quantité de catalyseur pour transformer rapidement une grande quantité de réactifs. [ ] En général, un catalyseur catalyse une réaction déterminée et une réaction donnée ne peut-être catalysée que par un nombre restreint de catalyseur. On distingue trois types de catalyse : - Catalyse homogène : le catalyseur et les réactifs forment un mélange homogène. - Catalyse hétérogène : le catalyseur et les réactifs forment un mélange hétérogène. - Catalyse enzymatique : le catalyseur est une enzyme. Transformation étudiée : Décomposition du peroxyde d hydrogène (H 2O 2) Équation chimique correspondante : 2 H 2O 2 (aq) 2 H 2O (l) + O 2 (g) Solution témoin à préparer: Tube contenant 2 ml d une solution d eau oxygénée (solution aqueuse de peroxyde d hydrogène) Catalyseurs de la décomposition du peroxyde d hydrogène à votre disposition : - Fil de platine - Catalase contenue dans une pomme de terre - Ions fer III (Fe 3+ ) en solution aqueuse Travail demandé 1) Pour chacun des catalyseurs proposés pour la décomposition du peroxyde d hydrogène, préciser, en justifiant, de quel type de catalyse il s agit. 2) Prévoir quelle observation expérimentale permettra de prouver leur effet catalytique sur la décomposition du peroxyde d hydrogène. 3) Réaliser en tube à essai les expériences nécessaires permettant de montrer expérimentalement l effet catalytique de chacun des catalyseurs proposés sur la décomposition du peroxyde d hydrogène. 4) Décrire les expériences et les observations effectuées. Conclure 5) Justifier, à l aide des observations expérimentales, la phrase soulignée dans le texte.

7 TS chimie Expériences autour de la catalyse PAILLASSE ELEVES 3 Tubes à essai - Fil de platine - Catalase contenue dans une pomme de terre - Ions fer III (Fe 3+ ) non acidifié en solution aqueuse - H 2O 2 à 20 volumes