Étude cinétique de la dismutation
de l'eau oxygénée (Réunion 2007 )
L'eau oxygénée commerciale est une
solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène utilisée comme désinfectant pour des
plaies, pour l'entretien des lentilles de contact ou comme agent
de
blanchiment. Le
peroxyde d'hydrogène (H2O2) intervient dans deux couples
oxydant-réducteur : H2O2 (aq) / H2O(l)
et O2 (g) / H2O2 (aq).
Le peroxyde d'hydrogène est capable dans certaines
conditions de réagir sur lui-même c'est à
dire de se dismuter selon l'équation de réaction suivante :
Réaction 1
2 H2O2 (aq) = 2 H2O(l) + O2
(g)
Cette réaction est lente à température ordinaire mais sa
vitesse peut être augmentée en présence d'un catalyseur.
Données :
Volume molaire des gaz dans les conditions de
l'expérience : Vm 
25 L.mol-1.
La partie 3 est indépendante des parties 1 et 2.
Partie 1 : Étude de la réaction de dismutation
1.
Écrire les deux demi-équations d'oxydoréduction des deux couples
auxquels le peroxyde d'hydrogène
appartient. Ecrire le nom de chaque demi réaction (réduction ou oxydation) en
expliquant pourquoi.
2.
Quel est l’oxydant et le réducteur de la demi équation
d’oxydation ? Expliquer pourquoi.
3.
Dessiner le
tableau d'évolution du système On exprimera la quantité de matière de O2
en fonction du volume de O2 et du volume molaire.
Partie 2 : Détermination de la
concentration initiale de la solution de peroxyde d'hydrogène
L'eau oxygénée du commerce se
présente en flacons opaques afin d'éviter que la lumière
favorise la
transformation chimique précédente. Le flacon utilisé dans cette étude porte la
mention
suivante : eau oxygénée à 10 volumes. Cette indication est appelée le titre de
l'eau oxygénée.
Par
définition, le titre est le volume de dioxygène (exprimé en litres) libéré par
un litre de solution aqueuse de
peroxyde d'hydrogène suivant la réaction de dismutation
dans les conditions normales de température
et de pression (réaction 1). On considérera, en première approximation, que les conditions de l'expérience
sont assimilables aux conditions normales.
Avant de réaliser le suivi
cinétique de la réaction de dismutation, on désire
vérifier l'indication
donnée sur le flacon concernant le titre de l'eau oxygénée de la solution
commerciale utilisée.
1.
Calcul de la valeur attendue de la concentration en peroxyde
d'hydrogène.
1.1. Par définition du titre de l'eau
oxygénée, quel volume de dioxygène V(O2) serait libéré par un volume V = 1,00 L
de la solution commerciale au cours de la réaction de
dismutation du peroxyde d'hydrogène ? Calculer la quantité de
dioxygène formé au cours de cette transformation.
1.2. (1 point) La transformation
précédente étant considérée comme totale, vérifier que la concentration en peroxyde
d'hydrogène notée [H2O2]th de cette solution commerciale
(valeur
théoriquement attendue) a pour valeur : [H2O2]th = 8,0 ´ 10 -1 mol.L-1.
2. Détermination de la valeur
réelle de la concentration en peroxyde d'hydrogène.
Pour vérifier la valeur de la concentration
précédente, on réalise le titrage d'un volume
V0 = 10,0 mL
de cette solution par une solution de permanganate de potassium acidifiée de concentration en soluté C1 = 2,0 ´
10 -1 mol.L-1. Les couples oxydant-réducteur
intervenant au
cours du titrage
sont MnO4– (aq) / Mn2+(aq) et O2 (g) /
H2O2 (aq). Le volume de permanganate de potassium versé pour obtenir
l'équivalence est Veq =14,6 mL.
L'équation de la réaction de
titrage est la suivante :
Réaction 2
5 H2O2 (aq)
+ 2 MnO4- (aq) + 6 h3o+(aq) = 5 O2 (g) + 2 Mn2+(aq) + 14 H2O (l)
2.1. L'ion
permanganate MnO4– (aq)
donne une coloration violette aux solutions aqueuses qui le contiennent. Comment l'équivalence est-elle
repérée au cours du titrage ?
2.2. Quelle relation peut-on écrire
entre la quantité initiale de peroxyde d'hydrogène se trouvant dans le bécher n0(H2O2) et la quantité d'ions
permanganate introduits dans le
bécher à
l'équivalence neq(MnO4-)
?
2.3. Donner l'expression de la
concentration en peroxyde d'hydrogène de la solution commerciale [H2O2]exp
en fonction de C1,
V0 et Veq.
2.4. Montrer que l'on a : [H2O2]exp = 7,3 ´ 10 -1 mol.L-1.
2.5. Comparer à la valeur obtenue à
la question 1.2. Les erreurs de manipulation mises à part, comment peut-on expliquer
l'écart de concentration obtenu ?
2.6. Dessiner le schéma du dosage en
nommant le matériel utilisé.
Partie 3 : Étude cinétique de la dismutation
du peroxyde d'hydrogène
La dismutation du peroxyde d'hydrogène est une réaction
lente mais qui peut être accélérée en utilisant par exemple des ions fer III (Fe3+
(aq)) présents
dans une solution de chlorure de fer III,
un fil de platine ou de la catalase, enzyme se trouvant dans le sang.L'équation de la réaction associée à cette
transformation est donnée dans l'introduction (réaction
1).La transformation étudiée est
catalysée par les ions fer III. On mélange 10,0 mL de
la solution commerciale d'eau oxygénée avec 85 mL
d'eau. À l'instant t = 0 s, on introduit dans le système 5 mL
d'une solution de chlorure de fer III. Au bout d'un temps déterminé, on prélève
10,0 mL du mélange réactionnel que l'on verse dans un
bécher d'eau glacée. On titre alors le contenu du bécher par une solution de
permanganate de potassium afin de déterminer la concentration en peroxyde
d'hydrogène se trouvant dans le milieu
réactionnel .On obtient les
résultats suivants :
|
t(min) |
0 |
5 |
10 |
20 |
30 |
35 |
|
[H2O2] mol.L-1 |
7,30´10-2 |
5,25´10-2 |
4,20´10-2 |
2,35´10-2 |
1,21´10-2 |
0,90´10-2 |
1.
Tracer sur la
feuille de papier millimétré à remettre avec la copie l'évolution de la
concentration en peroxyde d'hydrogène en fonction du temps.
Échelles : en abscisses 2 cm pour 5 min ; en ordonnées
2 cm pour 1 ´ 10-2 mol.L-1
Ne pas oublier :
a) de mettre un titre à la
courbe
b) de nommer les axes ainsi que
les unités des grandeurs associées
c) la forme des croix est :
+
2. En utilisant le tableau
d'évolution du système proposé en annexe, exprimer
l'avancement de la
transformation x(t) en fonction de nt(H2O2)
quantité de peroxyde
d'hydrogène présent
à l'instant t et de n0(H2O2)
quantité initiale de peroxyde d'hydrogène.