Suivi Cinétique par spectrophotométrie : correction : classe de Terminale S
 
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 Exercice I : Suivi cinétique par spectrophotométrie

On étudie la cinétique de la réaction de décomposition de l’eau oxygénée H2O2  par les ions iodure I –  en milieu acide.

L’équation-bilan de la réaction s’écrit :

 H2O2   + 2 I –  + 2 H+ → 2 H2O + I2   

On suit l’évolution du système par spectrophotométrie.

L’absorbance A est liée à la concentration en diiode [I2]  par une relation que l’on établira.

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I- Étude préliminaire

On mesure l’absorbance A pour des solutions de diiode [I2] de concentrations connues.

On obtient les mesures suivantes :

[I2]

mol / L

0,0000

0,0001

0,0005

0,001

0,002

0,004

0,006

0,008

A

0,0000

0,037

0,102

0,203

0,304

0,741

1,073

1,550

1)- Représenter graphiquement A = f ([I2]).

Échelles : 1 cm ↔ 5 × 10– 4 mol / L  et  1 cm ↔ 0,1 unité d’absorbance.

-  Graphe : A = f ([I2])

 graphe A = f (I2)

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2)- Pour mesurer l’absorbance d’une espèce chimique dans une solution, il faut que cette espèce chimique possède une « propriété » particulière.

Laquelle et pourquoi ?

-  Cette espèce chimique doit être colorée.

-  On utilise le fait que toute solution colorée absorbe la lumière visible

(400 nm < l < 800 nm).

-  Lorsqu’un faisceau de lumière monochromatique traverse un milieu absorbant,

-  l’intensité lumineuse I du faisceau transmis est inférieure à l’intensité lumineuse I0 du faisceau incident.

-  Pour évaluer cette diminution, on utilise :

-  La transmittance T : T

-  L’absorbance A : A

-  La transmittance s’exprime en pourcentage.

-  À une transmittance T de 100 % (T = 1) correspond une absorbance nulle : A = 0.

-  à une transmittance de 1 % (T = 0,01) correspond une absorbance A =log 100 = 2.

3)- Après avoir rappelé la loi de Beer-Lambert peut-on dire que dans le cas de notre étude cette loi est vérifiée ? Justifier votre réponse.

-  Définition :

-  L’absorbance d’une solution diluée contenant une espèce colorée est proportionnelle

-  à la concentration (effective) C de cette espèce et à l’épaisseur ℓ (cm) de la solution traversée par le faisceau lumineux.

-  A (λ) = ε (λ).ℓ.C

-  ε (λ) est appelé coefficient d’extinction molaire ou coefficient d’absorption molaire.

-  Il dépend de la nature de l’espèce dissoute et de la longueur d’onde de la radiation utilisée.

-  Il dépend également du solvant et de la température. (mol – 1.L.cm – 1).

-  La représentation graphique A = f ([I2]) est sensiblement une droite passant par l’origine.

-  C’est pratiquement une fonction linéaire (le coefficient de détermination R2 ≈ 1, toutefois le résultat est médiocre)

-  On peut en déduire qu’il y proportionnalité entre l’absorbance A et la concentration en diiode [I2].

 

4)- Déterminer la valeur ainsi que la dimension du coefficient de proportionnalité k entre A et [I2] tel que A = k x [I2].

-  En traçant la droite moyenne, on peut déterminer la valeur du coefficient directeur de la droite.

-  Ce coefficient directeur a est aussi le coefficient de proportionnalité k.

graphe

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-   k = 192 L / mol

-  Une étude statistique donne : k ≈ 188 mol – 1 . L

-  En gardant deux chiffres significatifs : k ≈ 1,9 × 10 2  mol – 1 . L

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II- Conditions expérimentales.

On place dans la cuve de mesure du spectrophotomètre un volume V0 = 1,0 mL de solution d’eau oxygénée de concentration initiale

C0  = 0,080 mol/L.

A l'instant t = 0, on ajoute un volume V1 = 1,0 mL de solution acidifiée d'iodure de potassium (K + + I –) de concentration

C1 = 0,060 mol / L

 

1)- Après avoir indiqué les couples redox qui interviennent dans la réaction étudiée, écrire les demi-équations électroniques correspondantes.

-  Couples oxydant / réducteur :

-  H2O2  / H2O et  I2  / I –

-  Demi-équations électroniques :

H2O2   (aq)  +  2 H+  +  2 e –

=

2 H2O (ℓ)

2 I –  (aq)

=

I2  (aq)  +  2 e –

2)- Pourquoi a-t-on acidifié la solution d’iodure de potassium ?

-  Acidification de la solution :

-  La réaction nécessite la présence d’ions  H+.

-  Les ions H+  apparaissent en tant que réactifs, ils sont nécessaire au déroulement de la réaction.

-  Il faut acidifier le mélange réactionnel pour que la réaction démarre.

3)- Quel est le réactif limitant de cette réaction ? Justifier votre réponse.

-  Réactif limitant :

-  Dans un premier temps, on calcule les quantités de matière initiales des différents réactifs, puis on fait un tableau d’avancement.

-  On considère que les ions H + ont été introduit en excès.

-  Quantité de matière d’eau oxygénée :

-  n0 = C0 . V0 = 0,080 × 1,0 × 10 – 3

-  n0 ≈ 8,0 × 10 – 5  mol

-  Quantité de matière d’ions iodure :

-  n1 = C1 . V1 = 0,060 × 1,0 × 10 – 3

-  n1 ≈ 6,0 × 10 – 5  mol

 

Équation

H2O2  (aq)

+ 2 H +(aq)

+   2 I – (aq)

→

I2 (aq)

+ 2 H2O (ℓ)

état

Avanc.

 

mol

mol

mol

 

mol

mol

État initial

0

n0

excès

n1

 

0

excès

Au cours de la

Trans.

x (t)

n0 – x (t)

excès

n1 – 2 x (t)

 

x (t)

Excès

Avancement

max

xmax

n0 – x max

excès

n1 – 2 x max

 

xmax

Excès

-  Hypothèse 1 : On considère que le réactif limitant est l’eau oxygénée.

-  En conséquence :

-   n0 – xmax1 = 0   =>   n0 = xmax1 ≈ 8,0 × 10 – 5  mol

-  Hypothèse 2 : On considère que le réactif limitant est l’ion iodure.

-  En conséquence :

-  n1 – 2 xmax2 = 0

-  n1 = 2 xmax1 ≈ 6,0 × 10 – 5  mol

-  xmax2 ≈ 3,0 × 10 – 5  mol

-  Détermination de xmax.

-  Conclusion : L’avancement maximal est égal à la plus petite des deux valeurs :

-  La réaction s’arrête lorsque l’un des réactifs a totalement disparu.

-  xmax = xmax2  ≈ 3,0 × 10 – 5 mol

 

Équation

H2O2  (aq)

+ 2 H+(aq)

+ 2 I – (aq)

→

I2 (aq)

+ 2 H2O (ℓ)

état

Avanc.

mol

mol

mol

mol

 

mol

 

État

initial

(mol)

0

n0 ≈ 8,0 × 10 – 5

excès

n1 ≈ 6,0 × 10 – 5

 

0

excès

Au cours

de la

trans

x (t)

n0 – x (t)

excès

n1 – 2 x (t)

 

x (t)

Excès

bilan

xmax ≈ 3,0 × 10 – 5

5,0 × 10 – 5

excès

0,0

 

3,0 × 10 – 5

Excès

 

4)- Déterminer les concentrations initiales (à t = 0)  en ion iodure I – et en eau oxygénée H2O2 .

-  Concentration initiale en eau oxygénée :

-   0,040 mol / L

-  Concentration initiale en ions iodure :

-       0,030 mol / L

5)- Calculer la valeur de la concentration en diiode en fin de réaction.

-   Concentration en diiode en fin de réaction :

-   0,015 mol / L

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III- Étude cinétique

On lance la mesure de l’absorbance en fonction du temps en effectuant une mesure toutes les secondes.

On obtient l’enregistrement donné en annexe (figure 1) :

1)- Définir la vitesse volumique de réaction.

-  Définition : La vitesse volumique de réaction v (t) à la date t, est la dérivée par rapport au temps,

-  Du rapport entre l’avancement x de la réaction et le volume V du milieu réactionnel.

-   v volumique

-  Lorsque l’on travaille à volume constant, on obtient la relation suivante :

-  Remarque : v volumique

-  La relation : n’est valable que lorsque l’on travaille à volume constant.  

2)- Déterminer l’expression de la vitesse volumique de réaction en fonction

d (I2) / dt de  puis de dA / dt.

-  Pour déterminer la valeur de la vitesse de réaction, on trace la tangente à la courbe [I2] = f (t), car

-  On remarque dans le tableau d'avancement que : n (I2) = x (t)

-  En conséquence : relation et  relation

-  v (t) = d (I2) / dt.

-  Comme : A = k x [I2] avec k constante par rapport au temps

-   

-   relation

3)- Déterminer la valeur de la vitesse volumique de réaction à t = 50 s. Si nécessaire, on prendra k = 190 SI.

-  Valeur de la vitesse de la réaction t = 50 s.

 graphe

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-   1,2 E-4 mol / L / s

4)- Comment évolue la vitesse volumique de réaction ?

Donner une interprétation microscopique à ce phénomène.

-  La vitesse volumique de réaction est proportionnelle au coefficient directeur a de la tangente à la courbe A = f (t).

-  Ce coefficient directeur a diminue au cours du temps.

-  En conséquence, la vitesse diminue.

-  La vitesse d’une transformation chimique est maximale à l’instant initial.

-  Elle décroît ensuite et s’annule lorsque la réaction est terminée.

-  Les réactifs sont consommés au fur et à mesure que la réaction se poursuit.

-  Comme la concentration des réactifs est un facteur cinétique, la diminution de la concentration des réactifs entraîne la diminution de la vitesse.

-  Elle s’annule si le réactif limitant à totalement disparue.

 

5)- Après l’avoir défini, déterminer le temps de demi-réaction.

-  Le temps de demi-réaction, noté t1/2, est  la durée au bout de laquelle l’avancement de la réaction est égal à la moitié de sa valeur finale.

-  Le temps de demi-réaction fournit une échelle des temps caractéristique du système étudié.

-  L’expérience montre qu’un système siège d’une réaction caractérisée par le temps de réaction t1/2

-  cesse pratiquement d’évoluer au bout d’une durée de l’ordre de quelques t1/2 (4 à 7 suivant la précision recherchée).

-  Le temps de demi-réaction permet d’évaluer la durée nécessaire à l’achèvement de la transformation chimique étudiée.

-  Valeur du temps de demi-réaction :

-  Avancement final : xfinal = xmax2  ≈ 3,0 × 10 – 5 mol

-  ½ x final ≈ 1,5 × 10 – 5 mol

-  Valeur correspondante de l’absorbance :

-  A ≈ 190 [I2]

-   A = 1,4

-  Remarque :

-  on peut considérer que lorsque l’avancement est égal à la moitié de

-  l’avancement final,

-  l’absorbance est égale à la moitié de l’absorbance finale.

-  Car A ≈ 190 [I2]

 graphe

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6)- Cette réaction s’est déroulée à une température θ.

Donner l’allure de la courbe A = f (t) sur le graphe fourni si elle s’était déroulée à une température θ’ inférieure à θ.

graphe

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ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE :

 Suivi cinétique par spectrophotométrie

 graphe

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