Chapitre 3 : vitesse de réaction chimique
DEUX ANTISEPTIQUES (2005/11 Nouvelle Calédonie 6,5
points)
Le Lugol et l’eau oxygénée sont deux antiseptiques couramment utilisés. Les indications portées sur deux flacons de solutions commerciales contenant chacun un de ces antiseptiques sont données dans le tableau ci-dessous.
Lugol
(solution S0) |
eau oxygénée (solution S1) |
Composition : iodine solution (eau iodée) |
Composition : eau oxygénée stabilisée. Titre : 10 volumes. Solution pour application locale. Usage externe. |
On se propose dans cet exercice de tracer une courbe
d’étalonnage à l’aide d’un spectrophotomètre afin d’utiliser cet appareil
pour :
- déterminer le titre de la solution S0 de Lugol ;
- étudier la cinétique d’une transformation chimique mettant
en jeu l’eau oxygénée.
Les
parties 2. et 3. sont indépendantes et peuvent être traitées séparément.
1. Courbe d’étalonnage du spectrophotomètre
On dispose de six solutions aqueuses de diiode
de concentrations molaires apportées différentes. La mesure de l’absorbance A
de chaque solution a été réalisée avec un spectrophotomètre UV–visible
réglé à la longueur d’onde l = 500 nm.Le
spectrophotomètre utilisé admet une gamme de mesures pour l’absorbance de A0
= 0 à Amax = 2,00. Parmi les espèces
chimiques présentes le diiode est la seule espèce qui
absorbe à 500 nm. Les ré-sultats obtenus permettent
de tracer la courbe d’étalonnage de la Figure 1 de L’ANNEXE À RENDRE AVEC LA
COPIE.
1.1. Justifier, à partir de la courbe d’étalonnage, que
les grandeurs portées sur le graphe sont liées par une relation de la forme A =
k[I2].
1.2. On note [I2]max la
concentration molaire apportée en diiode au-delà de
laquelle l’absorbance d’une solution de diiode n’est pas
mesurable par le spectrophotomètre utilisé ici.Déterminer
graphiquement la valeur de [I2]max en faisant clairement
apparaître la méthode utilisée sur la Figure 1 de L’ANNEXE À RENDRE AVEC LA
COPIE.
2. Titre du Lugol
Pour déterminer le titre en diiode
du Lugol, il est ici nécessaire de diluer dix fois la
solution commerciale S0. La solution obtenue est notée S0’.
Le matériel mis à disposition est le suivant :
- bechers 50 mL,
100 mL, 250 mL ;
- pipettes jaugées 5,0 mL, 10,0 mL, 20,0 mL ;
- éprouvettes graduées 10 mL, 20 mL, 100 mL ;
- fioles jaugées 100,0 mL, 250,0 mL, 500,0 mL.
2.1. Choisir, sans justification, le matériel nécessaire
pour préparer S0’.
2.2. Sans modifier les réglages du spectrophotomètre, on
mesure l’absorbance de la solution S0’ :
= 1,00.
2.2.1. Déterminer
graphiquement sur la Figure 1 de L’ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE la
concentration molaire apportée en diiode de la
solution S0’. On fera clairement apparaître la méthode
graphique utilisée.
2.2.2. En
déduire la concentration molaire apportée cL
en diiode du Lugol
(solution commerciale S0)
2.2.3. Pourquoi
a-t-il été nécessaire de diluer le Lugol (solution
commerciale S0) ?
3. Étude cinétique d’une
transformation chimique mettant en jeu l’eau oxygénée et libérant du
diiode
La transformation qui a lieu dans l’étude proposée est modélisée par la réaction dont l’équation d’oxydoréduction s’écrit :
H2O2(aq) + 2 I –(aq) + 2 H3O+(aq) = I2(aq) + 4 H2O()
La mesure de l’absorbance du diiode présent dans le milieu réactionnel, à longueur d’ode 500 nm, permet de suivre l’évolution temporelle de la quantité de diiode formé et de réaliser ainsi un suivi cinétique.La courbe A = f(t) est donnée sur la Figure 2 de L’ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE.Afin de réaliser ce suivi cinétique :
- on prépare une solution S2 (concentration c2)
10 fois moins concentrée que la solution S1 (concentration c1)
d’eau oxygénée commerciale ;
- on mélange dans un becher, V =
5,0 mL d’acide sulfurique et V3 = 9,0 mL d’une solution aqueuse d’iodure de potassium, K +(aq) + I –(aq) ;
- à l’instant de date t0 = 0 s, on introduit
rapidement, dans ce becher, un volume V2 =
1,0 mL de la solution S2 d’eau oxygénée H2O2
(aq).
Un échantillon du milieu réactionnel est versé dans une cuve
que l’on introduit dans le spectrophoto-mètre.Dans
les conditions de l’expérience, les ions iodure I - (aq) et les ions oxonium H3O+(aq) sont introduits en excès par rapport à l’eau oxygénée.
3.1. Définir un oxydant.
3.2. Écrire les couples oxydant/réducteur mis en jeu dans
la réaction étudiée et les demi-équations électroniques correspondantes.
3.3. Compléter littéralement, en utilisant les notations
de l’énoncé, le tableau descriptif de l’évolution du système donné sur la
Figure 3 de L’ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE.
3.4. À l’aide de ce tableau, établir l’expression de
l’avancement x(t) de la réaction en fonction de [I2](t), la
concentration molaire en diiode présent dans le
milieu réactionnel et de Vtot
volume du mélange.
3.5. On rappelle que l’absorbance est liée à la
concentration molaire volumique du diiode par la
relation A = k[I2].
Sachant que la vitesse volumique v(t) de
réaction est définie par la relation : v(t) =
où Vtot est
le volume du mélange réactionnel, montrer que :
.
3.6. On note v0 la vitesse volumique de
réaction à l’instant de date t0 = 0 min et v1 celle à
l’instant de date t1 = 5,0 min.
3.6.1. Parmi
les relations données ci-dessous, choisir celle qui convient, en justifiant
graphiquement, à partir de la Figure 2 de L’ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE.
v0 > v1 v0
< v1 v0
= v1
3.6.2. En
faisant appel aux connaissances de cours, dire pourquoi v(t) subit cette
évolution.
3.6.3 Calculer la vitesse volumique à l’instant
t = 0.
3.7. Transformation totale ou limitée.
Une détermination précise de la valeur de k (constante de
proportionnalité intervenant dans la relation de la question 1.1.) donne k =
246 L.mol –1.Le volume de la solution est Vtot
= V + V2 + V3 = 15,0 mL
3.7.1. À partir des
résultats expérimentaux donnés sur la Figure 2 de L’ANNEXE À RENDRE AVEC LA
COPIE, déterminer la valeur de l’avancement final xf
de la transformation étudiée.
3.7.2. On admet
qu’une solution commerciale d’eau oxygénée titrée à « 10 volumes » a
une concentration molaire apportée en eau oxygénée c1 = 0,89 mol.L –1.
Déterminer la valeur du taux
d’avancement final t de la
transformation.
Conclure.
3.8. Temps de demi-réaction
Définir puis déterminer graphiquement la valeur du temps de
demi-réaction t1/2 en faisant apparaître
clairement la méthode utilisée sur la Figure 2 de L’ANNEXE À
RENDRE AVEC LA COPIE.
3.9. Conclusion
Déduire des réponses précédentes si la transformation
chimique modélisée par la réaction d’équation :
H2O2(aq) + 2 I –(aq) + 2 H3O+(aq) = I2(aq) + 4 H2O()
peut servir de support à un titrage direct (c’est-à-dire
sans faire intervenir une autre réaction) de l’eau oxygénée. Justifier la
réponse.
EXERCICE II.
Figure 3
relation |
H2O2(aq) + 2 I – (aq) +
2 H3O +(aq) =
I2 (aq) +
4 H2O() |
|||||
état du système |
avancement |
bilan de matière en mol |
||||
état initial |
0 |
|
excès |
excès |
|
solvant |
au cours de la transformation |
x |
|
excès |
excès |
|
solvant |
état final |
xf |
|
excès |
excès |
|
solvant |
état final si la transformation est totale |
xmax |
|
excès |
excès |
|
solvant |