TP : Suivi d'une réaction par spectrophotométrie

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1 TP : Suivi d'une réaction par spectrophotométrie Boulant Nicolas (TS) Objectifs : Connaître les notions d'absorbance Evoquer la loi de Beer-Lambert Tracer une courbe d'étalonnage Tracer la courbe de l'avancement de la réaction Calculer la vitesse de réaction à différents instants Trouver le temps de demi-réaction Matériel et produits : Au bureau : Diiode à 5-3 moll- (0mL pour les deu scéances de TP) dans une fiole (0mL+50mL)+Bécher de 50mL +burette de 25mL Cuves pour le spectro Spectro à chauffer min av TP Un chronomètre Une burette avec eau distillée+bécher Une solution contenant : (ml d'acide sulfurique moll-+ ml d'iodure de potassium à 0, moll-+ ml d'eau distillée) (pour faire le blanc) Eau oygénée à (vol )0, moll- (50mL ma pour les deu séances) + Bécher + Pipette de ml + Propipette Un bécher de 0/250mL (pour réaliser la solution étudiée dans la cinétique) Une fiole de 0mL d'eau distillée pour diluer la solution dont on va etudier la cinétique Une fiole de 50mL d'eau distillée (pour diluer la solution dont on va etudier la cinétique Par paillasse : Iodure de potassium à 0, moll- (0mL par paillasse) + Bécher Pipette graduée de ml Propipette Un verre à pied (par paillasse) Deu béchers de 0mL Eau distillée Sous la hotte : Acide sulfurique à,0 moll- (0mL pour les 2séances) + Pipette jaugéee ml + Pipette jaugée 5mL+bécher L'eau ogénée n'ayant pas une concentration fie il faut attendre la fin du TP et la fournir au élèves en utilisant le tableu version prof Le mieu est de faire tourner la manip la veille pour déterminer cette concentration Merçi!

2 Nom : Prénom: n groupe: TP : Suivi d'une réaction par spectrophotométrie 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 cheveu 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 epérimentale: Compte rendu: Bilan: Le but de la séance est de tracer la courbe d évolution temporelle de la concentration en diiode formé au cours de la réaction Rappel_spectro Pour gagner un peu de temps lors de la manipulation, on trace le spectre d'absorbtion du diiode de concentration -3molL- Voici la courbe que l'on obtient : Pour le reste du TP, à quelle longueur d'onde doit-on régler le spectrophotomètre? Justifiez votre réponse

3 )Tracé de la courbe d'étalonnage Chaque binôme effectuera un mélange, parmi ceu décrits dans le tableau suivant Dans un bécher, versez les volumes indiqués en ml Introduisez un barreau aimanté dans chaque solution, posez le bécher sur l agitateur magnétique Solutions Volume de diiode 5-3 moll- Iodure de potassium 0, moll- Acide sulfurique,0 moll- Eau Absorbance A Concentration I2 Solution 2 8 0,065,82E ,3 3,64E ,274 7,27E ,336 9,09E ,464,09E ,544,36E ,7,55E Pour régler le zéro du spectrophotomètre, on utilise un mélange : ml d acide sulfurique + ml d iodure de potassium + ml d eau distillée Le mélange est préparé sur le bureau du professeur Chaque solution est placée dans une petite cuve carrée transparente Ne pas mettre les doigts sur les faces non striées de la cuve Choisir la valeur 480nm pour la longueur d onde Régler le zéro avec la solution incolore, en plaçant la cuve dans l appareil de façon à ce que les stries soient face à l utilisateur Placez ensuite chaque cuve dans le spectrophotomètre et lisez la valeur de l absorbance correspondante Notez-la dans le tableau Travail à effectuer en salle informatique : )En vous aidant d'un tableur, calculez, pour chaque solution préparée, la valeur de la concentration en diiode et conplétez le tableau ci-dessus 2)A l'aide du tableur, tracez la courbe d étalonnage : A = f( [I2] )

4 2)Etude cinétique La réaction étudiée est l oydation des ions iodure par le peroyde d hydrogène en solution aqueuse Cette transformation est lente et totale Les couples oydant / réducteur mis en jeu sont les suivants : I2 aq / I-aq et H2O2 aq / H2O l 2)Ecrivez les deu demi-équations et l équation de la réaction I2 + 2e-=2IH2O2+ 2H+ + 2e-=2H2O 2I-+ H2O2 + 2H+ = I2 + 2H2O Réglez le zéro du spectrophotomètre avec la solution de la première partie Régler le spectrophotomètre à une mesure toutes les s Dans un bécher, versez : 0mL d'eau distillée, ml d acide sulfurique à,0 moll - et 6 ml d iodure de potassium à 0, moll- Ajoutez,0 ml d eau oygénée, agitez le mélange et déclenchez le chronomètre Versez cette solution dans une petite cuve, placez-la dans le spectrophotomètre et lisez la valeur de l absorbance à intervales de temps réguliers Le spectrophotomètre permet d'effectuer un suivi temporel de la concentration en diiode Afin de ne pas perdre de temps, la suite de la manipulation se déroulera en salle informatique avec un enregistrement du suivi de cette réaction effectué sur une durée de 6 heures L'enregistrement dont vous disposez en salle informatique a été effectué avec de l'eau oygénée de concentration 0,34 moll- 22)En utilisant la courbe d étalonnage précédente, déterminez les valeurs de la concentration en diiode formé à chaque date t (Vous céerez une colonne dans le tableur) 23)Eprimez l avancement de la réaction à t en fonction de [ I2 ] au même instant et du volume V de la solution X t [I2](t)= V 24)Créez une nouvelle colonne afin de tracez la courbe d évolution temporelle de l'avancement X(t) Commentez l allure de la courbe 25)Calculez les quantités de matière des réactifs à l état initial ni-,0=ci-,0 V= 6-3 0,=6-4mol nh2o2,0 =CH2O2,0 V= -3 0,34=3,4-4mol 26)Construisez le tableau descriptif de l évolution du système chimique et donnez un bilan de matière à l état final Équation chimique + H2O2 I2 + 2H2O 2IEtat du système État initial En cours de transformation État final Avancement (en mol) X=0 X Xf=Xma Quantités de matières (en mol ) ni-,0= X n f,i-= =6-4-2Xma NH2O2,0 =3, ,4-4 - X X n f,h2o2 =3,4-4 - ma Xma Eces Eces Eces

5 Détermination de Xma Nous avons deu équations : Pour A à l'état final :n f,i- 0 d'ou Xma Pour B à l'état final : n f,h2o2 0 d'ou 0 3,4-4 - ma Xma doit donc satisfaire à ce système de deu équations Xma 3-4 ma 0 3,4-4 - ma 3,4-4 ma On en déduit donc que la première valeur dexma qui satisfait le système est Xma= 3-4 mol Si on remplace Xma par sa valeur dans le tableau on obtient : n f,i- = = 0 mol n f,h2o2 =3, = 0,4 mol Le réactif limitant est I-(aq) 27)Calculez la valeur théorique de l'avancement de la réaction à l état final Comparez cette valeur à celle lue sur la courbe lorsque la réaction est achevée? L'avancement maimal est obtenu pour Xma= 3-4 mol La valeur de l'avancement maimal lue sur la courbe est Xma= 3,2-4 mol Les écarts peuvent provenir de la courbe d'étalonnage et des incertitudes de maniplation 28)Donnez l epression de la vitesse de réaction v en fonction de la concentration en diiode [ I2 ] d X t d [I2 ] t dx V t= t= t= Vt dt V dt dt 29)A l aide des facteurs cinétiques, interprétez l allure de la courbe tracée dans la partie précédente Au début de la réaction la concentrations des réactifs est maimale, la vitesse de réaction est donc également maimale Puis lorsque les réactifs se transforment, leur concentration diminue La vitesse volumique de réaction est importante au départ et ne cesse de diminuer ( )( ) ( ) 2)Déterminez la vitesse de réaction au dates t = 0 et t = minutes Ces résultats correspondent-ils à l allure de la courbe? 2)Calculez la valeur du temps de demi-réaction pour la transformation étudiée X= f (t)

6 Eercice On souhaite déterminer la concentration Ccom en peroyde d hydrogène (ou eau oygénée) contenue dans une solution commerciale Pour cela, on se propose d étudier la réaction entre les ions iodure I et le peroyde d hydrogène H2O2 en milieu acide Cette réaction est lente et totale Ces deu espèces chimiques appartiennent au couples d oydoréduction I2(aq) / I (aq) et H2O2(aq) / H2O(l) Parmi ces espèces, seul le diiode est coloré (jaune) en solution aqueuse L étude de la cinétique se fait par spectrophotométrie )Étude de la réaction d oydoréduction et préparation de la solution )Écrire les demi-équations d oydoréduction des deu couples étudiés Couple I2(aq) / I (aq) Couple H2O2(aq) / H2O(l) oydation réduction 2 I (aq) = I2(aq) + 2e H2O2(aq) + 2 H + 2e = 2 H2O(l) + (aq) 2)En déduire que la réaction entre ces deu couples a pour équation : H2O2(aq) + 2 I (aq) + 2 H+(aq) = I2(aq) + 2 H2O(l) En effectuant la somme des deu demi-équations précédentes on obtient : H2O2(aq) + 2 I (aq) + 2 H+(aq) = I2(aq) + 2 H2O(l) 3)Comment évolue la coloration de la solution au cours du temps? Au cours du temps la solution se colore en jaune de plus en plus foncé (formation de diiode, seule espèce colorée) 4)Avant de faire réagir la solution commerciale d eau oygénée, on souhaite la diluer d un facteur Donner les principales étapes du protocole opératoire afin de préparer V2 = C 50 ml d une solution d eau oygénée de concentration C2 = Com On effectue une dilution Solution mère : Solution commerciale Solution fille : solution diluée CCom C2 = CCom V? à prélever V2= 50 ml Au cours d une dilution la quantité de matière de soluté ne varie pas, on a donc : n = n2 soit CComV = C2V2 CComV = CCom V2 alors V= V2 V = 5,0 ml Protocole opératoire : On prélève 5,0 ml de la solution commerciale à l aide d une pipette jaugée de 5,0 ml munie d un pipeteur, on les verse dans une fiole jaugée de 50 ml, on ajoute de l eau distillée au trois-quarts, agiter et enfin on complète jusqu au trait de jauge 2)Étude d une transformation par spectrophotométrie 2)On utilise le spectrophotomètre pour réaliser la mesure de l absorbance d une solution aqueuse de diiode de concentration C0 =,0-2 moll- On mesure alors une absorbance A0 = 0,60 Sachant que l absorbance A est proportionnelle à la concentration en diiode, déterminer le coefficient de proportionnalité k A0 0, 60 k= = 60 Lmol- 2 C0, 0 22)A une date t = 0, on mélange dans un bécher une solution d iodure de potassium de volume V = 25 ml de concentration C = 5,0-2 moll- et acidifiée (les ions oonium seront considérés en large ecès) à une solution d eau oygénée de volume V2 = 50 ml et de concentration inconnue C2 On verse alors rapidement un faible volume (négligeable devant V et V2) de ce mélange réactionnel dans une cuve qu on introduit dans le spectrophotomètre A = k[i2(aq)] A0 = kc0 donc k= 22)Compléter le tableau d avancement

7 L énoncé parle d ions oonium H3O+ en large ecès, il s agit des ions hydrogène H+(aq) H2O2(aq) + 2 I (aq) + 2 H+(aq) = 2 H2O(l) + Équation chimique État du système État initial État en cours de transformation État final I2(aq) Avancement (mol) 0 C2V2 C2V2 CV 2 Ecès beaucoup ma C2V2 ma CV 2ma Ecès beaucoup ma Équation chimique État du système Avancement (mol) État initial 0 État en cours de transformation État final ma Quantités de matière (mol) CV Ecès beaucoup H2O2(aq) + 2 I (aq) + 2 H+(aq) = 2 H2O(l) + 0 I2(aq) Quantités de matière (mol) 222)Quelle relation littérale eiste-t-il entre l avancement et la concentration en diiode dans le mélange réactionnel? [I2(aq)] = n I2 or d après le tableau n I2 = donc [I2(aq)] = 223)En déduire la relation littérale entre l absorbance A et l avancement de la réaction étudiée A = k[i2(aq)] = k 224)En supposant que l iodure de potassium est le réactif en défaut, quelle valeur numérique l avancement devrait-il prendre lorsque le système chimique atteindra son état final? En déduire la valeur finale de l absorbance Si l iodure de potassium est le réactif en défaut, alors CV 2ma = 0 Soit ma = ½(CV) ma = 0,5 5, = 6,25 4 mol = 6,3 4 mol ma 6, 25 4 = 60 = 0,50 ( ) 3 3)Eploitation de la courbe représentant l absorbance au cours du temps Ama = k

8 Le spectrophotomètre est relié à un ordinateur qui trace la courbe représentant l absorbance au cours du temps, le résultat est le suivant : 3)Donner l epression de la vitesse volumique de réaction v en fonction de V, V2 et da Montrer qu elle peut se mettre sous la forme v = k dt d A ( ) d après la question 223 v= Or = dt k A da d( ( )) da Soit v = = = k k dt k dt dt 32)A partir de la courbe, dire comment évolue v au cours du temps Interpréter cette évolution La vitesse correspond au coefficient directeur de la tangente à la courbe A = f(t) à un coefficient k près Or Ce coefficient directeur diminue au cours du temps, donc la vitesse v diminue Cette évolution est due à la diminution des concentrations des réactifs 33)Epliquer pourquoi on peut considérer qu au bout de minutes, le système a atteint son état final Au bout de min, la tangente à la courbe est quasiment horizontale, son coefficient directeur est donc nul, on peut considérer que la vitesse de la réaction est nulle, soit que le système n évolue plus 34)Déterminer après l avoir défini le temps de demi-réaction t/2 Le temps de demi-réaction t/2 correspond à la durée nécessaire pour que l avancement de la réaction atteigne la moitié de sa valeur finale Or avancement et absorbance sont proportionnels d où t /2 correspond à l abscisse du point d ordonnée Ama /2 t/2 = 4 min 35)La valeur finale de l absorbance est inférieure à la valeur trouvée à la question )A partir de la valeur prise par l absorbance dans l état final, montrer que l avancement maimal est ma = 4,6 4 mol L hypothèse faite en 224 est-elle correcte? D après le graphique Ama = 0,37 ma = 0,37 A ma ( )-3 = 4,6-4 mol ( ) = 60 k À la question 224 on a trouvé ma = 6,3-4 mol > 4,6-4 mol L hypothèse faite en 224 n est pas correcte, les ions iodure ne constituent pas le réactif en défaut L eau oygénée est donc le réactif limitant 352)Déterminer la valeur de C2, en déduire celle de Ccom Si l eau oygénée est le réactif limitant on a : C2V2 ma = 0 soit ma = C2V2

9 ma 4,6 4 = = 9,2-3 moll- CCom = C2 CCom = 9,2-3 = 9,2-2 moll- 3 V )La réaction étudiée a-t-elle toutes les caractéristiques d une réaction de titrage? Conclure C2 = La réaction étudiée est totale mais pas rapide, elle n a pas toutes les caractéristiques d une réaction support de titrage