Terminale S Lycée Massignon μ-devoir N 4 Durée : 1h Les calculatrices sont autorisées. Il sera tenu compte de la qualité de la rédaction et de la cohérence des chiffres significatifs. Exercice 1 : «Un peu de cours» (7,5 points) Q1. Qu est-ce qu une transformation rapide (ou instantanée)? Q2. Que faut-il faire pour suivre la cinétique d une transformation chimique? Q3. A quelle condition peut-on utiliser la mesure d une pression pour suivre la cinétique d une transformation chimique? Expliquer. Q4. On étudie la transformation chimique d oxydo-réduction selon l équation : H 2 O 2(l) + 2I - (aq) + 2 H + (aq) 2H 2 O + I 2(aq) Quelle méthode peut-on utiliser pour faire le suivi cinétique de cette réaction? Expliquer. Q5. Citer 5 facteurs cinétiques. Q6. Dire quelle catégorie de catalyse est illustrée dans les exemples suivants. - Les ions Fer III catalysent la réaction de décomposition de l eau oxygénée. - Dans le pot catalytique, le platine ou le rhodium catalyse de l oxydation des gaz polluants. - L amylase, présente dans la salive, accélère l hydrolyse des sucres lents
Exercice 2 : «Suivi cinétique de la synthèse de la lidocaïne» (12,5 points) La lidocaïne est un anesthésique local de type amino-amide souvent employé en sirop, spray ou comprimés pour lutter contre les maux de gorge, les aphtes et plaies à la bouche. Il existe aussi en crème pour apaiser les brûlures du Soleil ou les piqûres de moustiques. Elle est aussi appelée xylocaïne ou lignocaïne du grec «xylon» et du latin «ligno» signifiant «bois», son action étant réputée pour rendre les membres insensibles comme du bois. On réalise un suivi temporel de la réaction de synthèse de la lidocaïne. A la date t 1 = 0 min, on introduit, dans un ballon bicol de 100 ml, une masse m 1 = 5,00 g de N-chloroacétyl- 2,6-diméthylaniline à l état solide, que l on notera par la suite réactif A et un volume V 2 = 10,0 ml de diéthylamine. On ajoute un volume V 3 = 50 ml de toluène : solvant permettant de favoriser le contact entre les espèces chimiques du mélange réactionnel. On chauffe à reflux le mélange précédent. Le suivi de la réaction de synthèse est réalisé par prélèvement successifs à instants donnés, trempe et dosage de l acide formé. On obtient alors les valeurs de l avancement en fonction du temps de réaction. Une fois la transformation achevée, on extrait la lidocaïne du mélange réactionnel par distillation. Données : L équation de la réaction de synthèse s écrit : NH O Cl + NH NH O N + HCl Réactif A Diéthylamine Lidocaïne acide chlorhydrique M(C) = 12,0 g.mol -1 ; M(H) = 1,0 g.mol -1 ; M(O) = 16,0 g.mol -1 ; M(N) = 14,0 g.mol -1 ; M(Cl) = 35,5 g.mol -1 Masse volumique diéthylamine : ρ = 0,707 g.ml -1. 1) Analyse du protocole expérimental a) Parmi la liste de matériel ci-dessous, choisir la verrerie adaptée au prélèvement des volumes V 2 et V 3 et justifier. Bécher de 10 ml ou 50 ml ; fiole jaugée de 10,0 ml, de 50,0 ml ; pipette jaugée de 10,0 ml, de 50,0 ml ; éprouvette graduée de 10mL, de 50 ml. b) La trempe consiste à placer le prélèvement dans un tube à essais plongé dans un mélange eau + glace. Quel est le but de cette étape? Quels est le facteur cinétique qui intervient? Détailler. 2) Etude quantitative de la transformation chimique a) Calculer les quantités de matière initiales des réactifs. b) Compléter le tableau d avancement (penser à rendre son énoncé ). C 10 H 12 NOCl + C 4 H 11 N = C 14 H 22 N 2 O + HCl Etat initial Etat intermédiaire Etat final c) Déterminer l avancement maximal ainsi que le réactif limitant. d) Après distillation, on récupère une masse m = 3,96 g de lidocaïne. Quel est le rendement r de la synthèse? (On donne : r = x exp x max )
3) Etude cinétique de la transformation chimique Le suivi temporel et son exploitation ont permis de tracer la courbe suivante : x ( 10-2 mol) t (min) a) Donner la définition puis déterminer graphiquement le temps de demi-réaction t 1/2 en montrant soigneusement la méthode employée b) La réaction est menée une seconde fois en ajoutant un catalyseur. Les résultats sont rassemblés dans le tableau suivant : t (min) 0 4 8 12 16 20 25 30 50 x ( 10-2 mol) 0 1,0 1,6 1,8 1,9 2,0 2,0 2,0 2,0 Placer les points expérimentaux sur le graphique précédent et en déduire le nouveau temps de demiréaction t 1/2. Qu en déduire concernant l utilisation d un catalyseur? Bon travail!
CORRECTİON DU μ-devoir N 4 Exercice 1 : «Un peu de cours» (7,5 points) Q1. Transformation instantanée (ou rapide) lorsque lorsqu elle paraît se faire dès que les réactifs sont en contact. Sa durée est trop courte pour être observée à l œil nu ou par des instruments de mesure usuels. Ex : Réactions explosives. (1pt) Q2. La cinétique chimique est l étude du déroulement temporel des réactions chimiques. Elle consiste à déterminer expérimentalement la relation existant entre l avancement x et le temps t. (1pt) Q3. Si un gaz se forme au cours de la transformation et que l on travaille dans un milieu fermé relié à un manomètre, il est possible de relier la variation de pression à la quantité de matière de gaz formé et donc de tracer x = f(t) pour suivre la cinétique de la transformation. (1,5pt) Q4. Une espèce colorée est formée : le diiode. On peut donc faire un suivi spectrophotométrique puisque l absorbance de la solution va augmenter. (1pt) Q5. 5 facteurs cinétiques : (1,5pt) - La température : plus la température du milieu réactionnel est élevée plus la transformation chimique est rapide. - La concentration des réactifs : plus la concentration initiale en réactifs est grande plus la transformation chimique est rapide. - Le solvant, - l état physique des réactifs intervient également dans la vitesse de réaction : liquide, gaz, solide sous forme compacte ou plus divisée - catalyseur - La lumière Q6. (1,5pt) Les ions Fer III catalysent la réaction de décomposition de l eau oxygénée. - lorsque le catalyseur appartient à la même phase que les réactifs, la catalyse est dite homogène. Dans le pot catalytique, le platine ou le rhodium catalyse de l oxydation des gaz polluants. - lorsque le catalyseur n appartient pas à la même phase que les réactifs, la catalyse est dite hétérogène. L amylase, présente dans la salive, accélère l hydrolyse des sucres lents - lorsque le catalyseur est une enzyme (protéine possédant des sites actifs), la catalyse est dite enzymatique. Exercice 2 : «Suivi cinétique de la synthèse de la lidocaïne» (12,5 points) 1) Analyse du protocole expérimental : a) On utilise la pipette jaugée de 10,0 ml pour introduire précisément les 10,0 ml. (1pt) Les 50 ml de solvant n ont pas à être introduit précisément, on utilise donc l éprouvette graduée de 50 ml. (1pt) b) En réalisant une trempe, on cherche à arrêter la réaction. En refroidissant brutalement le milieu réactionnel, on joue sur le facteur cinétique température et on peut considérer que la réaction est alors bloquée (en tout cas très ralentie). (1pt) 2) Etude quantitative de la transformation chimique : a) Pour C 10 H 12 NOCl: n 1 = m 1 M 1 = 5,00 (10 12+12+14+16+35,5) = 2,53.10-2 mol. (1pt) Pour C 4 H 11 N: n 2 = ρv 2 M 2 = 0,707 10,0.10-3 (4 12+11+14) = 9,68.10-2 mol (1pt) b) (1pt) C 10 H 12 NOCl + C 4 H 11 N = C 14 H 22 N 2 O + HCl Etat initial n 1 n 2 0 0 Etat intermédiaire n 1 x n 2 x x x Etat final n 1 x f n 2 x f x f x f
c) On a x 1 = n 1 ou x 2 = n 2 x 1 < x 2 donc x max = n 1 = 2,53.10-2 mol. ; le réactif limitant est le réactif A. (1pt) m d) La masse m correspond à n = M(C 14 H 22 N 2 O) = 3,96 (14 12+22+14 2+16) = 1,69.10-2 mol. (1pt) Le rendement ρ = n x max = 66,9 %(0.5pt) 3) Etude cinétique de la transformation chimique : a) Le temps de demi-réaction est défini par le temps au bout duquel l avancement a atteint la moitié de sa valeur finale. (1pt). Graphiquement, on lit x f = 2.10-2 mol donc à x f 2 = 2.10-2 mol on trouve : t 1/2 = 7 min. (1pt) (1pt) b) On voit que t 1/2 = 4 min, l emploi d un catalyseur diminue t 1/2 et donc accélère la réaction. (1pt) t 1/2