TP 5 : CINETIQUE INTRODUCTION PRELIMINAIRES OU COMMENT DETERMINER EXPERIMENTALEMENT L ORDRE GLOBALE D UNE REACTION?

Transcription

1 NM TP 5 : CINETIQUE U CMMENT DETERMINER EXPERIMENTALEMENT L RDRE GLBALE D UNE REACTIN? bjectif : Utiliser un conductimètre pour suivre la cinétique d une réaction. Déterminer l ordre d une réaction par la méthode différentielle et le vérifier par la méthode intégrale. Déterminer expérimentalement une énergie d activation. INTRDUCTIN La réaction de saponification est connue depuis l Antiquité. Elle est utilisée pour fabriquer les savons. La recette originale vient de la ville d Alep en Syrie. n y fabriquait le savon à partir d huile d olive ou de laurier et de cendres. Les cendres contiennent une base (en pratique le carbonate de sodium Na 2 C 3 ) qu on a longtemps appelé «soude». Ce terme est aujourd hui utilisé pour désigner les solutions d hydroxyde de sodium NaH. La recette s est répandue dans l Antiquité sur tout le bassin méditerranéen. Et c est à Marseille que s est développée au XVII ème siècle une véritable industrie de fabrication des savons. n comprend alors la renommée du savon de Marseille aujourd hui. La réaction de saponification, lente à température ambiante et quasi- totale, met en jeu un ester et une base forte. PRELIMINAIRES La réaction dont nous allons étudier la cinétique est celle de l acétate d éthyle (ou éthanoate d éthyle) avec l ion hydroxyde de l hydroxyde de sodium (NaH), modélisée par l équation bilan suivante : + - H + Des études préalables ont montré que cette réaction admet un ordre courant. H Question 1 : Donner l allure de la loi de vitesse de la réaction. Pour déterminer l ordre de cette réaction, deux conditions doivent être vérifiées : n doit faire en sorte que la vitesse ne dépende que d une seule concentration. n doit suivre la concentration d un réactif ou d un produit au cours du temps. Pour faire en sorte que la vitesse ne dépende que d une seule concentration, nous allons introduire les réactifs dans les proportions stœchiométriques. Question 2 : Quelle relation lie [est] t et [H - ] t pour tout t? Comment s exprime alors la loi de vitesse? Quel est l intérêt d utiliser un mélange stœchiométrique? Puisque il y a disparation et apparition d ions, nous allons utiliser la conductimétrie pour suivre l évolution de la concentration en réactifs au cours du temps. 1

2 Question 3 : Faire l inventaire de tous les ions présents en solution au cours de la réaction (attention à ne pas oublier les ions spectateurs). Comment va évoluer la conductivité au cours de la réaction? Données : Conductivités molaires ioniques limites de quelques ions à 25 C en ms.m².mol - 1 : λ (Na + )=5,0 ms.m².mol - 1 ; λ (H - )= 19,9 ms.m².mol - 1 ; λ (CH 3 C - )= 4,1 ms.m².mol - 1 Question 4 : Dresser un tableau d avancement de la réaction de saponification. n notera a la concentration initiale des ions H - dans le mélange réactionnel et x l avancement volumique de la réaction. Question 5 : Donner l expression de la conductivité de la solution : σ t, à l instant t, en fonction de a et x t et des conductivités molaires λ i des ions présents. σ 0, à t = 0, en fonction de a et des conductivités molaires λ i. σ, à l état final, en supposant la réaction totale, en fonction de a et des conductivités molaires λ i. Question 6: En déduire x t = a σ t σ 0 σ σ 0 puis [est] t = a σ σ t σ σ 0 Conclusion : La mesure de σ t, σ 0 et σ permettra donc d accéder à la concentration en ester à l instant t. Le traitement des données donnera ensuite accès à l ordre de la réaction. 2

3 SECURITE Voici les étiquettes correspondant aux produits manipulés. Pensez à adapter votre comportement! Ethanoate d éthyle M=88,106 g/mol, d=0,9 DANGER H225: Liquide et vapeurs très inflammables H319: Provoque une sévère irritation des yeux H336: Peut provoquer somnolence ou vertiges P280: Porter des gants de protection/des vêtements de protection/un équipement de protection des yeux/du visage Hydroxyde de sodium à 0,1 mol.l - 1 Lessive de soude, NaH(aq) ATTENTIN H315: Provoque une irritation cutanée H319: Provoque une sévère irritation des yeux P280: Porter des gants de protection/des vêtements de protection/un équipement de protection des yeux/du visage P302+P352: EN CAS DE CNTACT AVEC LA PEAU : laver abondamment à l'eau et au savon P305+P351+P338: EN CAS DE CNTACT AVEC LES YEUX : rincer avec précaution à l'eau pendant plusieurs minutes. MANIPULATIN Le suivi sera réalisé en reliant le conductimètre au logiciel Latis- pro. n se reportera à la fiche «LatisPro». L objectif de la manipulation est de déterminer l ordre global de la réaction et l énergie d activation. Il faut pour cela réaliser la manipulation à deux températures différentes. n pourra choisir la température de la salle et 50 C. Pour maintenir le milieu réactionnel à 50 C, on utilisera un bécher thermostaté. Si vous vous trouvez à un poste muni d un bain thermostaté, faites la manipulation à 50 C. Sinon, faites la manipulation à température ambiante. Etalonner le conductimètre (la valeur de la conductivité de la solution étalon à la température de la salle se trouve dans le classeur de notices). Evaluation de a : Le mélange dont on suivra l évolution au cours du temps sera composé de 40mL de la solution d ester à C E =0,1mol.L - 1 et de 40mL de la solution de soude à C S =0,1mol.L - 1. Evaluer a, concentration initiale des ions H - et de l ester : Mesure de σ 0 : Pour mesurer σ 0, il faut disposer d une solution dont la conductivité est la même que celle du mélange ester + soude à l instant initial, mais dont la composition n évolue pas (pour pouvoir mesurer précisément la conductivité initiale). Comment faire? A l instant initial, avant toute réaction, les ions Na + et H - sont les seuls présents dans le mélange en concentration C s /2=0,05 mol.l - 1. Un mélange de 40 ml de la solution de soude à C S = 0,10 mol.l - 1 et 40 ml d eau distillée aura donc la même conductivité que le mélange réactionnel à t=0. n mesure σ 0 :.. Mesure de σ : Pour pouvoir mesurer σ, il faut attendre que la réaction soit complètement terminée. Pour cela, on a réalisé en avance (une semaine avant, >>t 1/2 de la réaction) le mélange réactionnel dont on va suivre l évolution temporelle. n peut estimer que la réaction est désormais terminée, donc que le système a atteint sa composition finale. n mesure σ :.. Ne pas jeter le mélange, il doit servir pour tous les groupes. 3

4 Suivi de σ t : Placer 40 ml de la solution d ester dans le bécher. Placer ce bécher sur l agitateur magnétique. Installer la cellule de conductimétrie. Régler le logiciel en mode «acquisition temporelle». Comment choisir la durée pendant laquelle le suivi sera effectué? Il faut avoir une idée de l échelle de temps de l évolution du système. Celle- ci est donnée par le temps de demi- réaction. Question 7 : Sachant que à température ambiante, le temps de demi- réaction de cette saponification pour un mélange de concentration initiale a est d environ 5 minutes, proposer une durée de suivi (faire valider par le professeur). n prendra une mesure toutes les 20 secondes (soit 45 mesures à température ambiante et 30 à 50 C) : rentrer ces paramètres dans le logiciel. Appeler le professeur pour une vérification des réglages. Ajouter rapidement 40 ml de soude et lancer l acquisition (F10). A l aide de l expression obtenue à la question 6 et du logiciel, calculer [est] t (on fera attention aux unités). TRAITEMENT DES RESULTATS DE L EXPERIENCE 1) Détermination de l ordre global de la réaction Question 8 : Déterminer l ordre global de la réaction et la constante de vitesse. n détaillera la démarche et on joindra les courbes utiles. 4

5 2) Détermination de l énergie d activation Notre binôme a trouvé k=. à une température T 1 =. Un autre binôme a trouvé k=. à une température T 2 =. Question 9 : Déterminer l énergie d activation de la réaction. n détaillera la démarche. 5

6 BILAN TP 5 : CINETIQUE Réaliser Analyse r Valider Com Evaluation ui A revoir Est- ce que je sais installer un conductimètre? Est- ce que je sais étalonner un conductimètre? Est- ce que je sais faire un suivi temporel avec Latis Pro? Est- ce que je sais tracer une courbe à partir de données numériques avec Latis Pro? Est- ce que je sais déterminer la vitesse d une réaction à l aide d un logiciel? Est- ce que je sais choisir une durée pour un suivi cinétique? Est- ce que je sais utiliser des données de concentration pour évaluer l ordre d une réaction? Est- ce que je sais déterminer une énergie d activation? Est- ce que je sais proposer un ordre pour la réaction à l aide de la méthode différentielle? Est- ce que je sais comment valider cet ordre? Est- ce que je sais valider les résultats d une régression linéaire? Est- ce que les courbes ont un titre, une abscisse et une ordonnée précise? Les résultats ont- ils une unité? Mon raisonnement est- il expliqué clairement? Sais- je gérer mon temps? (être efficace, rapide et autonome) Ma paillasse est- elle propre et les déchets bien gérés? Ai- je été sécuritaire (pour les autres et pour moi)? Bilan élève : Faire un résumé du TP Essayer d être le plus clair possible : qu est ce qu on cherchait? Comment a- t- on choisi les conditions de travail? Quelles mesures a- t- on effectuées? Pourquoi? Comment a- t- on traité les données? Bilan enseignant Points forts, points à améliorer 6