Observer Couleurs et images Objectifs : Utiliser le tableau d' pour un suivi quantitatif d'une transformation chimique. Visualiser ce suivi sur le graphique n = f(). I- Réaction entre le diiode et les ions thiosulfate 1- Observations préliminaires On reprend ici la transformation étudiée lors du TP Notion d Mélange stœchiométrique Cette transformation met en présence une solution aqueuse S 1 de diiode I 2(aq) et une solution aqueuse S 2 de thiosulfate de sodium (2Na + (aq) + S 2 O 3 (aq) ). Compléter les phrases : Lors du mélange de la solution de diiode et de la solution de thiosulfate de sodium, le système chimique contient initialement du, les ions et les ions et le solvant qui est.. Les epériences ont montré que seuls le et les ions réagissent. 2- L équation chimique Compléter le tableau Les molécules d eau (solvant) réagit ne réagit pas la quantité de matière augmente la quantité de matière diminue Le diiode I 2 (aq) Les ions sodium Na + (aq) Les ions thiosulfates S 2 O 3 (aq) Les ions iodures I - (aq) Les ions tétrathionates S 4 O 6 (aq) 3- Etude quantitative simulée Ecrire la relation entre quantité de matière en soluté n, concentration C de la solution et le volume V. Les concentrations des solutions sont C 1 = 1,0 10 2 mol.l 1 et C 2 = 1,0 10 2 mol.l 1. Noter les résultats des calculs de quantité de matière dans les lignes 3 et 4 du tableau bécher 1 bécher 2 bécher 3 1 Volume de S 1 en ml 2,5 5,0 7,5 2 Volume de S 2 en ml 7,5 5,0 2,5 3 Nb de mole initial de I 2 4 Nb de mole initial de S 2 O 3 5 Réactif limitant http://www.ostralo.net/3_animations/swf/.swf Entrer les nombres stœchiométriques correspondant à la réaction entre le diiode et les ions thiosulfate. Choi des coefficients Choi des quantités de matières Evolution des quantités de matières 1
Rappeler l équation bilan de la réaction. Reporter les coefficients dans la simulation. Sans tenir compte des puissances de 10, tester les quantités de matières correspondant successivement au béchers 1, 2 et 3. Déplacer le curseur pour visualiser l évolution des quantités de matières pendant les manipulations. Indiquer pour chaque cas quel est le réactif limitant en ligne 5 du tableau. Reprendre le tableau du paragraphe "II- Réactif limitant" du TP précédent. Les résultats obtenus avec la simulation sont-ils en accord avec ceu du tableau du TP précédent? Réaliser la simulation pour la transformation avec les quantités initiales n I2 = 1,0.10-5 mol et n S2O3²- = 2,0.10-5 mol. Ce mélange est appelé mélange stœchiométrique. Quelle est la particularité de ce mélange? La comparaison des quantités de matières initiales permet-elle toujours de prévoir quel sera le réactif limitant? De quoi faut-il tenir compte également? Le vérifier avec la simulation. II- Tableau d et bilan de matière 1- Notion de tableau d (simulation) On appelle tableau d le tableau qui donne le nombre de mol de chaque réactif et de chaque produit dans certains états particuliers. Il est constitué dans ce cas de 6 colonnes. a- Cas où les coefficients stœchiométriques sont égau Entrer dans la simulation le coefficient 1 pour les réactifs et les produits. On se place dans le cas où avant réaction, on a le nombre de mol initial de A : n i(a) = 15 mol et le nombre de mol initial de B n i(b) = 6 mol. A + B C + D Etat initial Etat intermédiaire quelconque Remplir les lignes relatives à «l état initial», «l état intermédiaire 1», «l état intermédiaire 2» (judicieusement choisi) et «l état final» du tableau ci-dessus. On appelle la grandeur notée qui correspond au nombre de mol de produits C ou D formé. Sans la simulation : Compléter la colonne du tableau (sauf pour l'état intermédiaire quelconque). A l aide de quelques valeurs numériques du tableau, vérifier que le nombre de mol de A dans un état intermédiaire quelconque (caractérisé par l ) peut s eprimer par la relation n (A) = n i(a). Eprimer en fonction de les nombres de mol de B, C et D dans un état intermédiaire quelconque. Compléter alors la ligne état intermédiaire quelconque du tableau d. Trouver un état initial qui correspond à l état final : n f(a) = 8 ; n f(b) = 0 ; n f(c) = n f(d) = 13. Vérifier avec le simulateur. Proposer un état initial pour lequel la réaction a lieu dans les proportions des proportions stœchiométriques là où il ne reste ni mol de A ni mol B à l état final. Vérifier avec le simulateur. 2
b- Cas où les coefficients sont différents Entrer dans la simulation les coefficients correspondant à ceu donnés par l équation bilan du tableau. On se place dans le cas où avant la simulation, on a n i(a) = 10 mol de A et n i(b) = 30 mol de B. Compléter la ligne état initial. Etat initial Etat intermédiaire quelconque 2 A + B 3 C + D de A n (A) L est la grandeur notée qui permet aussi de calculer le nombre de mol de chaque réactif ayant réagit et le nombre de mol de chaque produit formé. Lorsque l est égal à 1, combien de mol de A et de B ont réagi? Comparer ces valeurs entre elles, avec celles des coefficients stœchiométriques placés devant A et B et avec celle de l. Lorsque l est égal à 1 combien de mol de C et de D se sont formées? Comparer ces valeurs entre elles, avec celles des coefficients stœchiométriques placés devant C et D avec celle de l. Compléter la ligne de l état intermédiaire 1. Confirmer vos réponses en choisissant un état intermédiaire 2. Compléter la ligne de l état intermédiaire 2. Eprimer en fonction de les nombres de particules A, B, C et D dans un état intermédiaire quelconque. Compléter alors la ligne «Etat intermédiaire quelconque» du tableau d. Calculer l pour lequel l un des 2 réactifs sera en quantité nulle à l état final. Cet état de l est noté ma. Vérifier avec le simulateur. Quel est alors le nombre de mol de chaque produit formé et le nombre de mol restant du réactif en ecès? Vérifier avec le simulateur. Compléter la ligne de l état final III- Application à l étude d une réaction chimique 1- Le tableau d et évolution graphique Une technique permet de retrouver les résultats du TP précédent : le tableau d accompagné de son graphique. http://sciences.arago.free.fr/anim//inde1.htm On reprend les conditions du bécher 1. 3
Reporter les coefficients dans la simulation et sans tenir compte des puissances de 10, les quantités de matière (nombre de mol). Choisir un état intermédiaire quelconque. Remplir le tableau d suivant : Equation chimique Etat du système Avancement (en mol) initial = 0 intermédiaire = final ma = Reproduire le graphique correspond à l étude de ce cas particulier pour l état intermédiaire et pour l état final. 2- Applications On va réaliser le graphique correspondant à l évolution d une réaction chimique dont l équation bilan est donnée dans le tableau d. On utilisera le tableur traceur Ecel pour tracer ces courbes donnant l évolution du système chimique en fonction de l. 1ère réaction chimique en utilisant la simulation On se place dans le cas où à l état initial on a n i(a) = 8 mol et n i(b) = 5 mol. Les coefficients sont 1 devant A, 2 devant B, 3 devant C et 1 devant D. Compléter le tableau d suivant. A + 2 B 3 C + D Etat initial 0 8 5 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,5 Copier ce tableau dans une feuille de calcul Ecel. Représenter sur un même graphique les 4 courbes. Afficher l équation de chaque droite. Déterminer le coefficient directeur de chaque droite. Déterminer l'ordonnée à l'origine. Donnez une interprétation du coefficient directeur et de l'ordonnée à l'origine des courbes n=f() 4
Proposer une méthode qui permette de déterminer facilement le réactif limitant (réactif en défaut) à partir d'un graphe. 2ème réaction chimique sans utiliser la simulation On se place dans le cas où à l état initial on a n i(a) = 10 mol et n i(b) = 7 mol. Les coefficients sont 2 devant A, 1 devant B, 2 devant C et 3 devant D. Si l a un pas de 0,5, quelle sera la quantité soustraite à chaque état intermédiaire pour A, pour B, et ajouter pour C et pour D? Calculer n (A) pour les 2 premiers états intermédiaires. Eprimer n (A) à l état intermédiaire quelconque en fonction de n i(a) et. Faire de même pour n (B), n (C) et n (D). Vérifier avec la simulation avant de continuer. Faire directement le tableau dans Ecel. Rechercher la formule à utiliser dans la cellule de chaque colonne. 2 A + B 2 C + 3 D Etat initial 0 10 7 0 0 A partir de la feuille de calcul Ecel et du graphique : Déterminer l' maimum ma Positionner les points A f,b f, C f et D f correspondant au quantités à l'état final. Déterminer le coefficient directeur de chaque droite. Déterminer l'ordonnée à l'origine. IV-Eercices http://missiontice.ac-besancon.fr/sciences_physiques/eleves/activites//activite.php?reaction=2 Choisir les transformations chimiques dans l'ordre croissant de difficulté : 1 - combustion du carbone 2 - synthèse de l ammoniac 3 - formation de la rouille 4 - combustion de l éthanol 5 - combustion du butane 6- combustion du DHMA 7- la chimie de l Airbag 5