Tale Spé Thème : Constitution et transformation de la matière TP10
Chimie Suivi cinétique d’une réaction chimique
Chap.4
But du TP : Mettre en œuvre une méthode physique pour suivre l’évolution d’une concentration et déterminer la vitesse volumique de formation d’un produit ou de disparition d’un réactif.
I. Suivi cinétique
Pour étudier une vitesse de réaction, il faut effectuer le suivi de la concentration d’au moins une des espèces chimiques présentes dans l’équation de la réaction.
Comment suivre une transformation impliquant une espèce colorée ?
Document 1 : Protocole expérimental.
Dans un bécher, verser 5,0 mL d’une solution d’iodure de potassium (K+(aq) + I-(aq)) et ajouter 5 mL d’une solution d’acide sulfurique.
Dans un second bécher, verser 10,0 mL d’eau oxygénée, solution aqueuse de peroxyde d’hydrogène H2O2(aq).
Mélanger les deux béchers tout en déclenchant simultanément l’acquisition.
Verser le mélange réactionnel dans la cuve du spectrophotomètre.
Document 2 : Acquisition automatique.
Afin de suivre l’évolution de l’absorbance du mélange réactionnel, on va utiliser le spectrophotomètre piloté par le logiciel Spectro Chimie 1 présent sur l’ordinateur.
Ouvrir Regressi, puis sur Spectro Chimie 1, cliquer sur l’icône Suivi de Cinétique et choisir 90 points (soit un point toutes les 10 s) pour une durée d’acquisition de 15 minutes.
Régler la valeur de la longueur d’onde d’étude, puis remplir la cuve avec de l’eau distillée (le solvant) et valider : le spectrophotomètre réalise le « blanc ».
Vider la cuve, et la remplir avec le mélange réactionnel tout en ayant lancé simultanément l’acquisition.
Basculer sous Regressi.
Document 3 : Spectre d’absorption d’une solution aqueuse de diiode.
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Document 4 : Couples Oxydant/réducteur
H2O2(aq) / H2O(ℓ) ; I2(aq) / I-(aq)
Document 5 : Matériel
4 béchers
2 éprouvettes graduées de 10 mL
Pipette jaugée de 10,0 mL
Thermomètre électronique
Spectrophotomètre relié à l’ordinateur + cuve
Solution d’iodure de potassium à 0,50 mol.L-1
Solution d’acide chlorhydrique à 1 mol.L-1
Solution de peroxyde d’hydrogène à 4,0 mmol.L-1
Pissette d’eau distillée
Document 6 : Temps de demi-réaction.
Le temps de demi-réaction t1/2 est la durée pour laquelle l’avancement est égal à la moitié de l’avancement final xf. Si la réaction est totale, xf = xmax.
Question préalable (S’approprier)
1) A quelle longueur d’onde faut-il régler le spectrophotomètre ? Justifier par un tracé soigné (valeur à 1 nm près).
Protocole expérimental (Réaliser)
2) Réaliser le protocole expérimental, puis mesurer la température finale du mélange réactionnel : θf = ……
Exploitation (Analyser)
3) Etablir l’équation de la réaction étudiée.
4) Expliquer pourquoi on mesure l’absorbance du mélange en fonction du temps.
5) Donner la valeur finale de l’absorbance, notée Amax.
6) Quel est le réactif limitant de la réaction ? En déduire la valeur de l’avancement maximal xmax. 7) A partir de la loi de Beer-Lambert, exprimer Amax en fonction de xmax. Puis, A(t) en fonction de x(t).
8) En déduire l’expression de x(t) en fonction de Amax, A(t) et xmax.
9) Sous Regressi, faire les calculs nécessaires pour tracer l’avancement x(t) en fonction du temps.
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10) Déterminer graphiquement le temps de demi-réaction t1/2.
Faire vérifier le graphique par le professeur avant de l’imprimer.
II. Vitesse volumique
Les transformations chimiques se produisent à vitesse variable. On se propose d’étudier la vitesse avec laquelle se produit la transformation chimique qui a lieu entre l’eau oxygénée et les ions iodure.
Comment utiliser des données expérimentales pour calculer la vitesse volumique de disparition d’une espèce ?
Document 7 : Cinétique d’ordre 1
D’après l’équation de la réaction étudiée, la vitesse de la réaction v correspond à la vitesse volumique de disparition de H2O2 qui s’exprime par vdis = - \f(d[H2O2]; dt
Si la cinétique est d’ordre 1 par rapport à H2O2, la vitesse de la réaction est proportionnelle à sa concentration : v = k [H2O2] où k est appelée la constante de vitesse qui ne dépend que de la température (voir doc.8).
Ainsi, la concentration vaut [H2O2]= [H2O2]0 exp(- kt) où [H2O2]0 est la concentration initiale en quantité de matière de H2O2.
Document 8 : Energie d’activation.
En cinétique chimique, la loi d’Arrhenius permet d’étudier la vitesse d’une réaction chimique en fonction de la température. Cette loi, énoncée par le suédois Svante August Arrhenius (1859 – 1927) est une loi empirique, ce qui signifie qu’elle se fonde sur des résultats expérimentaux et s’exprime par : k = B exp( - \f(EA;R T ) où
k est la constante de vitesse (en s-1) ;
B est le facteur pré-exponentiel (ou facteur de fréquence) tenant compte de la fréquence des chocs efficaces ;
R est la constante des gaz parfaits : R = 8,314 J.mol-1.K-1 ;
T est la température en Kelvin : T (K) = θ (°C) + 273,15 ;
EA est l’énergie d’activation, énergie minimale que doivent acquérir les réactifs pour que la réaction ait lieu (environ 10 à 102 kJ.mol-1).
Exploitation (Réaliser-Analyser-Valider)
1) Exprimer la quantité de matière n(t) de H2O2 en fonction de l’avancement x(t). On notera n0 la quantité de matière initiale de H2O2.
11) A l’aide d’une relation trouvée précédemment, montrer que la concentration en H2O2 peut s’exprimer par la relation : [H2O2] = C0 (1 – \f(A(t) où C0 est la concentration initiale en H2O2.
12) Proposer une démarche pour vérifier si la vitesse de la réaction obéit à une cinétique d’ordre 1.
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Faire vérifier la démarche par le professeur, puis la mettre en œuvre et conclure.
13) Déterminer la valeur de la constante de vitesse k, puis regrouper les valeurs de la classe dans le tableau ci-dessous.
Groupe 1 2 3 4 5 6 7 8 9
T (en K) k (en s-1)
Problème (Raisonner-Réaliser-Valider)
14) En utilisant les valeurs du tableau et la loi d’Arrhenius, déterminer la valeur de l’énergie d’activation EA de la réaction étudiée.
III. Programmation
Un programme informatique permet de simuler la cinétique de la réaction étudiée précédemment.
Ouvrir le logiciel EduPython.
Charger le fichier Cinétique.py présent dans les documents de votre classe (PC).
Programmation (Réaliser)
Modifier le programme en indiquant :
La valeur du volume total du mélange réactionnel Vr, et celle de la concentration initiale en ions iodure Ci0 dans le mélange ;
L’expression pour calculer la concentration en peroxyde d’hydrogène Ceauox et en ions iodure Ci en fonction de l’avancement x.
Exécuter le programme.
Exploitation (Analyser-Valider)
1) Repérer la ligne qui correspond au calcul de la vitesse de la réaction.
Quelle différence y a-t-il avec l’expression du doc.7 ?
15) Pour quelle valeur approximative du rapport \f([I-]; [H2O2], les résultats expérimentaux coïncident avec une cinétique
d’ordre 1 ? Vérifier que c’était bien le cas lors de la réaction réalisée. Tenter de l’expliquer.
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