ECE. N° 05 Modélisation microscopique de l'évolution d'un système

ECE N° 05

Modélisation microscopique

de l'évolution d'un système

Exercices 2023

Préparation à l’ECE : Catalyse et mécanisme d’une réaction :
Réaction entre les ions iodure I^– (aq) et peroxodisulfate S₂O₈^2– (aq)

On étudie la réaction entre les ions iodure I^– (aq) et peroxodisulfate S₂O₈^2– (aq), d’équation :

S₂O₈^2– (aq) + 2 I^– (aq) → 2 SO₄^2– (aq) + I₂ (aq)

On souhaite montrer que le mécanisme d’une réaction peut être modifié lorsqu’elle est catalysée.

Protocole expérimental 1 :

- Dans deux béchers a et b,

- Verser 20,0 mL de la solution de peroxodisulfate de potassium

- ( 2 K⁺ (aq) + S₂O₈^2– (aq) )

- Dans le bécher a :

- Ajouter 0,5 mL de la solution de sulfate de fer II : Fe²⁺ (aq) + SO₄^2– (aq)

- Mélanger.

- Dans les béchers a et b, verser en même temps :

- 20,0 mL de la solution d’iodure de potassium (K⁺ (aq) + I^– (aq))

Observations pour le protocole 1 :

Protocole expérimental 2 :

- Test 1 :

- Dans un tube à essai a

- Verser environ 2 mL de solution de peroxodisulfate de potassium

- Ajouter quelques gouttes de la solution de sulfate de fer II (Fe²⁺ (aq) + SO₄^2– (aq))

- Agiter.

- Ajouter quelques gouttes de la solution d’hydroxyde de sodium (Na⁺ (aq) + HO^– (aq))

Observations protocole 2 tube a

- Test 2 :

- Dans un tube à essai b

- Verser environ 2 mL de solution d’iodure de potassium (K⁺ (aq) + I^– (aq))

- Ajouter quelques gouttes de la solution de chlorure de fer III (Fe³⁺ (aq) + 3 Cℓ^– (aq))

- Ajouter quelques millilitres de cyclohexane.

- Agiter.

- Une phase aqueuse et une phase organique se séparent

Observations protocole 2 tube b

► Produits et matériels disponibles :

- Solution de peroxodisulfate de potassium de concentration 0,20 mol . L^–1 en ions peroxodisulfate S₂O₈^2– (aq).

- Solution d’iodure de potassium de concentration 0,20 mol . L^–1 en ions iodure I^– (aq).

- Solution de sulfate de fer II de concentration 0,10 mol . L^–1 en ions fer II Fe²⁺ (aq).

- Solution de chlorure de fer III de concentration 0,10 mol . L^–1 en ions fer III Fe³⁺ (aq)

- Solution d’hydroxyde de sodium (Na⁺ (aq) + HO^– (aq))

► Données :

- Les différents couples intervenant :

- S₂O₈^2– (aq) / SO₄^2– (aq) ; I₂ (aq) / I^– (aq) ; Fe³⁺ (aq) / Fe²⁺ (aq)

- Une solution contenant des ions iodure et des ions peroxodisulfate est incolore.

- Le diiode colore en jaune une solution aqueuse qui le contient et en rose le cyclohexane.

- Tests d’identification des ions :

Ion testé

ion fer II Fe²⁺ (aq)

ion fer III Fe³⁺ (aq)

Réactif utilisé

Solution d’hydroxyde de sodium

(Na⁺ (aq) + HO^– (aq))

Résultat du test

1. À partir des observations effectuées lors de la mise en œuvre du protocole 1, déterminer le rôle des ions fer II Fe²⁺ (aq). Justifier.

2. À partir des observations effectuées lors de la mise en œuvre du protocole 2, écrire l’équation ayant lieu :

- Dans le tube a lors du mélange des solutions de peroxodisulfate de potassium et de sulfate de fer II ;

- Dans le tube b lors du mélange des solutions d’iodure de potassium et de chlorure de fer III sachant qu’il se forme également des ions fer II.

3. Justifier que l’introduction des ions fer II dans le bécher a revient à remplacer une réaction lente par deux réactions successives plus rapides.

4. La catalyse a-t-elle modifiée le mécanisme réactionnel ?

1. Rôle des ions fer II Fe²⁺ (aq) lors du protocole 1 :

Catalyse avec les ions fer III Fe²⁺ (aq)

► Réaction entre les ions iodure I^– (aq) et peroxodisulfate S₂O₈^2– (aq) :

- Les couples qui interviennent :

- Potentiels d’oxydoréduction des différents couples : OX / Red :

- S₂O₈^2– (aq) / SO₄^2– (aq) E⁰₁ = 2,01 V ;

- I₂ (aq) / I^– (aq) E⁰₂ = 0,54 V ;

- Les réactifs sont les ions iodure et les ions peroxodisulfate.

- Les ions peroxodisulfate (oxydant du couple S₂O₈^2– (aq) / SO₄^2– (aq) ) sont réduits et les ions iodure (réducteur du couple I₂ (aq) / I^– (aq) ) sont oxydés.

- Équation de la réaction.

2 I^–(aq) I₂ (aq) + 2 e ^–

S₂O₈^2– (aq) + 2 e ^– 2 SO₄^2–

S₂O₈^2– (aq) + 2 I^– (aq) → 2 SO₄^2– (aq) + I₂ (aq)

- La réaction est quasi-totale mais lente à la température ambiante.

- Observations :

- on observe le jaunissement ou le brunissement de la solution dans les deux béchers.

- Cela est dû à la formation de diiode qui en présence d’ions iodure donne des ions I₃^– (aq) de couleur jaune-brun.

- Observations pour le protocole 1 :

- Dans le bécher a, on constate que la coloration évolue plus rapidement que dans le bécher b.

- On peut affirmer que la réaction est plus rapide dans le bécher a que dans le bécher b.

- On dit que les ions fer II Fe²⁺ (aq) ont catalysé la réaction entre les ions peroxodisulfate S₂O₈^2– (aq) et les ions iodure I^–(aq).

- Ils ont accéléré la réaction : l’ion fer II Fe²⁺ (aq) est un catalyseur de la réaction.

2. l’équation des réactions ayant lieu lors du protocole 2 :

- Dans le tube a

- Mélange des solutions de peroxodisulfate de potassium et de sulfate de fer II ;

- Les ions présents au départ :

- ( 2 K⁺ (aq) + S₂O₈^2– (aq) ) et (Fe²⁺ (aq) + SO₄^2– (aq))

- Observations protocole 2 tube a

- Il se forme un précipité rouille.

- Ce test met en évidence la présence d’ions fer III dans le mélange réactionnel.

Ion testé

Ion fer III Fe³⁺ (aq)

Réactif utilisé

Solution d’hydroxyde de sodium

(Na⁺ (aq) + HO^– (aq))

Résultat du test :

Précipité rouille

d’hydroxyde de fer III

Fe³⁺ (aq) + 3 HO^– (aq) → Fe(OH)₃ (s)

- Il se produit la réaction suivante entre les ions peroxodisulfate S₂O₈^2– (aq) ) et les ions fer II (Fe²⁺ (aq) :

- Les couples qui interviennent :

- S₂O₈^2– (aq) / SO₄^2– (aq) E⁰₁ = 2,01 V ;

- Fe³⁺ (aq) / Fe²⁺ (aq) E⁰₃ = 0,77 V ;

- Les réactifs sont les ions fer II et les ions peroxodisulfate.

- Les ions peroxodisulfate (oxydant du couple S₂O₈^2– (aq) / SO₄^2– (aq) ) sont réduits et les ions fer II (réducteur du couple Fe³⁺ (aq) / Fe²⁺ (aq) ) sont oxydés.

- Équation de la réaction.

2 Fe²⁺(aq) Fe³⁺ (aq) + 2 e ^–
S₂O₈^2– (aq) + 2 e ^– 2 SO₄^2–
S₂O₈^2– (aq) + 2 Fe²⁺ (aq) → 2 SO₄^2– (aq) + Fe³⁺ (aq)	(1) Rapide

- La réaction est quasi-totale mais rapide à la température ambiante

- Dans le tube b

- Mélange des solutions d’iodure de potassium et de chlorure de fer III sachant qu’il se forme également des ions fer II.

- Les ions présents au départ :

- ( K⁺ (aq) + I^– (aq) ) et (Fe³⁺ (aq) + 3 Cℓ^– (aq))

- Observations protocole 2 tube b

- La phase organique prend une coloration violette.

- Le diiode colore en jaune une solution aqueuse qui le contient et en rose le cyclohexane.

- Ce test met en évidence la présence de diiode dans le mélange réactionnel.

- Il se produit la réaction suivante entre les ions iodure I^– (aq) ) et les ions fer III (Fe³⁺ (aq) :

- Les couples qui interviennent :

- I₂ (aq) / I^– (aq) E⁰₂ = 0,54 V ;

- Fe³⁺ (aq) / Fe²⁺ (aq) E⁰₃ = 0,77 V ;

- Les réactifs sont les ions fer III et les ions iodure

- Les ions fer III (oxydant du couple Fe³⁺ (aq) / Fe²⁺ (aq)) sont réduits et les ions iodure (réducteur du couple I₂ (aq) / I^– (aq)) sont oxydés.

- Équation de la réaction.

2 Fe³⁺ (aq) + e ^– 2 Fe²⁺(aq)
2 I^–(aq) I₂ (aq) + 2 e ^–
2 I^–(aq) + 2 Fe³⁺ (aq) → I₂ (aq) + 2 Fe²⁺ (aq)	(2) Rapide

- La réaction est quasi-totale mais rapide à la température ambiante

3. Rôle des ions fer II dans le bécher a.

- La présence des ions fer II revient à remplacer une réaction lente par deux réactions successives plus rapides.

S₂O₈^2– (aq) + 2 Fe²⁺ (aq) → 2 SO₄^2– (aq) + Fe³⁺ (aq)	(1) Rapide
2 I^–(aq) + 2 Fe³⁺ (aq) → I₂ (aq) + 2 Fe²⁺ (aq)	(2) Rapide
S₂O₈^2– (aq) + 2 I^– (aq) → 2 SO₄^2– (aq) + I₂ (aq)	Bilan

- Ici, on a remplacé une réaction lente par deux réactions rapides.

- Les ions fer II ont participé aux réactions 1 et 2, mais ils n’interviennent pas dans le bilan global de la réaction.

- Ils ont été régénérés en fin de réaction.

- On dit que les ions fer II ont catalysé la réaction entre les ions peroxodisulfate et les ions iodure.

- Ils ont accéléré la réaction :

- L’ion fer II est un catalyseur de la réaction.

- Remarque : on peut aussi catalyser cette réaction avec les ions fer III.

4. La catalyse et mécanisme réactionnel :

- La présence des ions fer II qui catalyse la réaction entre les ions peroxodisulfate et la ions iodure modifie le mécanisme réactionnel.

- Dans le cas présent, on a remplacé une réaction lente par deux réactions rapides.

- La catalyse a modifié le mécanisme réactionnel d’une réaction chimique.

- Le catalyseur :

- Un catalyseur est une substance qui accélère une réaction sans entrer dans le bilan de la réaction et sans modifier l’état final du système.

- Lorsqu’une réaction est limitée, le catalyseur permet d’arriver plus vite à l’état d’équilibre mais il ne déplace pas l’équilibre.

- Un catalyseur ne peut pas rendre possible une réaction non spontanée.

- Catalyser une réaction, c’est augmenter sa vitesse par ajout d’un catalyseur.

- Un catalyseur modifie le mécanisme réactionnel et la nature des étapes permettant de passer des réactifs aux produits.

- Catalyse homogène :

- La catalyse est dite homogène lorsque le catalyseur et le mélange réactionnel constituent une seule phase (forment un mélange homogène).

- C’est le cas des gaz et des liquides miscibles.

- En catalyse homogène, le catalyseur participe à la transformation chimique.

- Transformé en une autre espèce chimique, il est ensuite régénéré en fin de transformation.

- Le catalyseur n’entre pas dans l’écriture de l’équation de la réaction.

Cinétique et catalyse