I- Danger en spéléologie.

1)- Introduction.

-  Lors de l’exploration d’une grotte, un spéléologue peut rencontrer des nappes de dioxyde de carbone.

-  À teneur élevée, ce gaz entraîne des évanouissements et même la mort.

-  Le dioxyde de carbone est formé par action d’eaux de ruissellement acides sur le carbonate de calcium CaCO₃ présent dans les roches calcaires.

Données : Système S₁ = {Voiture}

► Température du laboratoire au moment de l’expérience : θ = 25 ° C

► Pression atmosphérique : P_atm = 1,013 × 10⁵ Pa

► Le dioxyde de carbone formé se comporte comme un gaz parfait et vérifie la loi des gaz parfaits :

► P . V (CO₂) = n (CO₂) . R . T

► Les unités : P en Pa ; V (CO₂) en m³ ; n (CO₂) en mol ; T en K.

► Constante des gaz parfaits : R = 8,31 J . mol^-1 . K^-1

2)- Résultat de l’expérience :

-  Un élève verse dans un ballon, une solution de volume V_S = 100 mL d’acide chlorhydrique de concentration en quantité d’ions oxonium C_S = 100 mmol . L^-1.

-  À la date t = 0 s, il introduit rapidement dans un ballon un échantillon de carbonate de calcium CaCO₃ (s) de quantité de matière n₀ = 20,0 mmol

-  et déclenche simultanément un chronomètre.

-  Puis il relève les valeurs du volume V (CO₂) de dioxyde de carbone dégagé en fonction du temps t.

-  Ces valeurs sont reportées dans le tableau ci-dessous.

-  La pression du gaz est égale à la pression atmosphérique.

-  La transformation chimique étudiée est modélisée par la réaction d’équation :

CaCO₃ (s) + 2 H₃O⁺ (aq) → Ca²⁺ (aq) + CO₂ (g) + 3 H₂O (ℓ)

3)- Questions :

a)-  Construire le tableau d’avancement de la réaction et déterminer la valeur de l’avancement maximal noté x_max.

b)-  Exprimer l’avancement x de la réaction à une date t en fonction de V (CO₂), T, P_atm et R.

c)-  Calculer le volume maximal V_max de gaz susceptible d’être recueilli dans les conditions de l’expérience. Déterminer si la transformation est totale.

d)-  Représenter le nuage de points expérimentaux obtenu en plaçant la date t en abscisse et l’avancement x en ordonnée.

e)-  Décrire l’évolution de la vitesse volumique de formation de CO₂ au cours du temps.

f)-  Définir le temps de demi-réaction t_1/2 . Déterminer graphiquement sa valeur.

g)-  La température de la grotte est généralement inférieure à 25 ° C. Préciser l’effet de cet abaissement de la température sur la vitesse volumique initiale de formation de CO₂.

h)-  Compléter le graphique réalisé à la question d)-, en représentant l’allure de l’évolution de l’avancement en fonction du temps dans ce cas.

Chimie et spéléologie

Temps et évolution chimique : cinétique et catalyse. . (2012)

Facteurs cinétiques

Application : Suivi cinétique d'une réaction chimique - Exploitation des résultats avec Latis-Pro

Modélisation macroscopique de l'évolution d'un système.

Suivi cinétique par spectrophotométrie.

Vitesse d’une réaction chimique (2000)

Suivi temporel d'une réaction chimique.

Modélisation macroscopique de l'évolution d'un système.

Vieillissement d'une eau de Javel 

II- Un colorant pour traiter des infections.

1)- Introduction

-  Le vert de malachite est un composé de formule C₂₃H₂₅ClN₂ utilisé comme colorant.

-  En solution aqueuse, il forme les ions chlorure Cl^- (aq) et les ions carbénium C₂₃H₂₅N₂⁺ (aq), noté M⁺ (aq).

-  Toxique, le vert de malachite a pu aussi être utilisé pour traiter les infections fongiques et bactériennes.

-  En milieu basique, l’ion M⁺ (aq) réagit avec l’ion hydroxyde HO^- (aq) entraînant la décoloration de la solution suivant une transformation totale dont l’équation de réaction s’écrit :

M⁺ (aq)  + HO^- (aq) → MOH (aq)

-  La vitesse de consommation de l’ion M⁺ (aq) peut s’écrire :

-  V_c (M⁺) = k . [HO^-]^α . [M⁺]^β

-  Les grandeurs α et β sont des entiers.

-  Seule l’espèce M⁺ absorbe dans le domaine du visible.

-  Solution de soude : Na⁺ (aq) + HO^- (aq)

-  Spectre d’absorption du vert de malachite :

-  Disque chromatique :

-  Couleur d’une solution de vert de malachite :

2)- Expérience 1 :

a)-  Protocole :

  Une solution est préparée en introduisant :

-  20,0 mL d’une solution aqueuse de vert de malachite 

-  De concentration en quantité d’ion carbénium C (M⁺) = 75,0 μmol . L^-1 ;

-  75, 0 mL d’eau distillée.

  En déclenchant simultanément le chronomètre, on ajoute :

-  Un volume V =5,00 mL d’une solution de soude

-  De concentration en quantité de matière d’ion hydroxyde C (B) = 100 mmol . L^-1.

b)-  Résultats expérimentaux.

-  Les concentrations en quantité initiales respectives des espèces M⁺ (aq) et HO^- (aq) après mélange sont notées :

-  [HO^-]₀ et [M⁺]₀

-  L’absorbance A (t) à une longueur d’onde λ judicieusement choisie est mesurée à différentes dates.

-  Tableau de valeurs :

3)- Expérience 2 :

a)-  Protocole :

-  L’expérience précédente est renouvelée en modifiant la concentration, C (B) de la solution de soude.

-  Les volumes de solutions utilisées et la concentration en quantité d’ion M⁺ restent identiques.

-  Une analyse des résultats permet de construire le tableau ci-dessous, fournissant la valeur de :

-   k . [HO^-]^α pour les différentes valeurs de C (B).

a)-  Résultats expérimentaux :

4)- Questions :

a)-  En considérant l’expérience 1, calculer les concentrations en quantité de matière initiales des espèces M⁺ et HO^- après le mélange.

b)-   Montrer que la grandeur k . [HO^-]^α est presque constante au cours de la transformation. Par la suite, elle est notée k_app.

c)-  Déterminer alors l’expression de la vitesse de consommation de M⁺ en fonction de k_app, [M⁺] et β.

d)-  Exprimer en fonction de A, β, k_app, ainsi que le coefficient d’absorption molaire de M⁺, noté ε et la longueur ℓ de la solution traversée par le faisceau de lumière.

e)-  Déterminer la valeur de β par l’analyse des résultats expérimentaux. 

f)-  À partir des résultats expérimentaux de l’expérience 2, déterminer les valeurs de α et de k.

Loi de Beer - Lambert

Vitesses volumiques

Droite de régression

Loi de vitesse d’ordre 1