Unité 2 : suivi temporel d'une transformation chimique - vitesse de réaction chimie I- Les méthodes utilisées en cinétique chimique : Afin de caractériser quantitativement l'évolution temporelle d'un système chimique, il est nécessaire de connaître sa composition à chaque instant. Diverses méthodes sont utilisées: certaines font appel à des titrages, d'autres exploitent des mesures physiques. 1- Méthodes physiques : Il existe des grandeurs physiques qui dépendent par des lois simples, de la concentration de certaines espèces présentes dans le milieu réactionnel. Parmi ces méthodes on trouve : o La conductimétrie : Cette méthode peut être employée lorsque la transformation chimique fait intervenir des ………. et que la conductivité du système varie. o Spectrophotométrie: méthode utilisée quand la réaction met en jeu des espèces ………….. o pH-métrie: quand il intervient dans la réaction des ions tel que ……. ou ………. o Mesure du volume ou de pression : quand la réaction fait intervenir des ……... Il est possible de mesurer la pression à volume constant ou le volume à pression constante. Ces méthodes présentent plusieurs avantages Ne perturbe pas le système chimique, Les mesures sont en général rapides Les mesures peuvent se faire en continu, Il est possible de travailler sur des quantités de matière de réactifs relativement faibles C'est pour cela que ces techniques physiques sont de plus en plus utilisées dans les laboratoires spécialisés. 2- Méthode chimique : Le titrage Le titrage ou le dosage est une méthode chimique qui permet de déterminer la concentration molaire d’une espèce chimique (appelée le réactif ………) contenue dans la solution …………., en la faisant réagir avec une espèce chimique (appelée le réactif ……..….) contenue dans la solution …………….. On verse à l’aide de la burette la solution titrante dans la solution à titrer. Il se produit alors la réaction de dosage qui met en jeu le réactif titré et le réactif titrant. il faut qu’elle soit : …………. : Les deux réactifs, titré et titrant, réagissent selon une seule et unique réaction. …………..: Un des deux réactifs mis en présence doit disparaître complètement. …………. : Instantanée ou ne dure que de quelques secondes. On verse la solution titrante jusqu’à ce que le réactif titré soit totalement réagi ; on atteint alors ………………….. Repérage de l’équivalence : le repérage peut s’effectuer soit par : Un changement de couleur du milieu réactionnel. Un changement de couleur d’un indicateur coloré introduit préalablement au dosage dans la solution à titrer. A l’équivalence : le mélange est …………………………., d’où la relation d’équivalence pour l’équation de dosage suivante: A B C D ................................................ La méthode chimique présente plusieurs certains inconvénients: Elle perturbe le système chimique en effectuant des prélèvements ou il faut disposer de plusieurs échantillons, ce qui nécessite de travailler sur des quantités relativement importantes de réactifs. En plus l'étude est effectuée en discontinu. 2BAC.SC PC 7 Pr. Badr BOUSTAKAT Unité 2 : suivi temporel d'une transformation chimique - vitesse de réaction chimie II- Suivi de l’évolution temporelle d’une transformation par titrage direct 1- Activité expérimentale 1: A l’instant t = 0 s, on mélange dans un bécher de 200mL un volume V1=50,0mL d’eau oxygénée H2O2 , de concentration C1= 5,4 .10 -2 mol.L-1, avec un volume V2 =50,0mL de solution aqueuse d’iodure de potassium (K+(aq)+I-(aq)) , de concentration en soluté apporté C2=0,20mol.L-1, ainsi que quelques gouttes d’acide sulfurique concentré. A l’instant t1=2min, pour déterminer la quantité de matière du diiode dans le mélange réactionnel, on prélève un volume V = 10 mL du mélange réactionnel à l’aide d’une pipette jaugée. Le prélèvement est alors refroidi rapidement en le versant dans un bécher contenant de l’eau glacée. Le diiode est dosé par une solution de thiosulfate de sodium (2Na+(aq)+S2O32(aq)) de concentration C=0,10mol.L-1, en présence de quelques gouttes d’empois d’amidon . Cette réaction est rapide et totale. L’empois d’amidon joue le rôle d’indicateur coloré, il prend une teinte bleue en présence de traces de diiode. On note VE le volume de la solution de thiosulfate de sodium à l’équivalence. Etape 4 : Titrage du Etape 3 : Ajout de l’eau Etape 2 : préparation du Etape 1 : préparation du Prélèvement glacée au Prélèvement Prélèvement à t= 2 min mélange réactionnel Prélèvement Prélèvement Eau glacée On répète cette opération à des différentes dates, puis on note les résultats trouvé. 1- Ecrire l’équation bilan de la réaction étudié entre les ions iodure et l’eau oxygénée, sachant que les couples mise en jeu sont : I2/I- ; H2O2/H2O ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 2- Pourquoi ajoute-t-on le prélèvement à l’eau glacée rapidement à l’instant t1? ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 3- Ecrire l’équation de la réaction de titrage. On donne les couples mise en jeu : I 2 / I et S 4O62 / S 2O32 ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 4- Ecrire la relation donnant la quantité de matière de diiode n(I2) apparu dans chaque prélèvement à l’instant t en fonction de C et de VE. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 2BAC.SC PC 8 Pr. Badr BOUSTAKAT Unité 2 : suivi temporel d'une transformation chimique - vitesse de réaction chimie 5- Dresser le tableau d’avancement de la réaction correspond à la transformation étudiée. Equation chimique Etat du système Avancement Etat initial En cours de transformation Etat final Quantités de matière en mol 0 En excès x En excès xmax En excès 6- Exprimer la quantité de matière de diiode nT(I2) apparu dans le mélange réactionnel à l’instant t. En déduire l’avancement x en fonction de C et de VE. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 7- On donne les valeurs du volume VE à l’équivalence. Compléter le tableau : 70 60 5,4 40 30 20 15 10 6 2 0 t (min) 5,3 5,1 4,7 4,2 3,5 2,7 1,2 0 VE (mL) 50 5,4 5,4 nT(I2) (mmol) x (mmol) 8- Tracer la graphe x=f(t). x(mmol) 3 2 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 t(min) 9- Déterminer l’avancement maximale xmax et déduire le temps de demi-réaction t1/2 qui vérifié la relation : x t1 2 xmax 2 10- Tracer deux tangentes à la courbe aux instants t0 = 0 et t1 = 30 min. Comment varie le coefficient directeur de ces tangentes ? III- La vitesse volumique d’une réaction chimique : 1- Définition : La vitesse volumique d’une réaction, à une date t, est égale à la valeur de la dérivée de l’avancement par rapport au temps à la date t, divisée par le volume V du mélange réactionnel. ........................................... o L’unité de la vitesse volumique dans le système international est : ……………………. o Usuellement, si le volume est en litre on utilise …………………… . Et si la transformation est très lente on peut utiliser …………….……… ou …………………… 2BAC.SC PC 9 Pr. Badr BOUSTAKAT Unité 2 : suivi temporel d'une transformation chimique - vitesse de réaction chimie 2- Détermination de la vitesse volumique : Graphiquement, la dérivée de l'avancement par rapport au temps dx à l'instant ti, représente la dt t i pente de la tangente du graphe de x=f (t) à cet instant. Alors : x(mol) x2 o On trace la tangente à la courbe à la date ti choisie, o On Prend 2 points M1 et M2 appartenant à la tangente, o On calcule le coefficient directeur de la tangente : T x ……………………………………………………………………….. x i ……………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………….. x t 1 o Pour obtenir la vitesse volumique à l'instant ti on devise par le volume total de la solution V : ……………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………….. 0 t(s) t1 ti t2 3- Evolution de la vitesse de réaction au cours du temps : o Graphiquement : Au cours du temps, on constate que les tangentes deviennent de plus en plus ………………., par conséquent leur coefficient directeur ……….. et tend vers ….. On peut donc en déduire que la vitesse volumique de la réaction ……….. et tend vers … à la fin de la réaction. o Cinétiquement : au cours du temps, les réactifs …………….……, par conséquence leurs concentrations …………... Or les concentrations des réactifs sont des facteurs ………………. ; alors la vitesse volumique de la réaction ……………… au cours du temps. Application1 : Déterminer la valeur de la vitesse volumique de la réaction de l’activité 1, aux dates t0 = 0 et t1 = 30 min. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. IV- Temps de demi-réaction : 1- Définition : Le temps de demi-réaction, noté t1/2 est la durée nécessaire pour que l'avancement x parvienne à la moitié de sa valeur finale xf. ................................. Pour une transformation totale ……………. alors …………………. 2- Détermination : x(mol) Le temps de demi-réaction se détermine graphiquement dès qu'on peut déterminer x f ; C'est l'abscisse du point de la courbe x(t) dont l'ordonnée est xf 2 . Le temps de demi-réaction permet d'évaluer la durée nécessaire à l'achèvement de la transformation chimique étudiée (≈ 10. 𝑡1/2 ) et déterminer la méthode de mesure adaptée pour la suivre. 2BAC.SC PC 10 t(s) 0 Pr. Badr BOUSTAKAT Unité 2 : suivi temporel d'une transformation chimique - vitesse de réaction chimie V- Suivi de l’évolution temporelle d’une transformation par mesure de pression. 1- Activités expérimentales 2: On introduit un volume V= 200 mL d’acide chlorhydrique H 3O (aq ) Cl (aq ) de concentration C 1,0 .101 mol .L1 dans un ballon de 500 mL muni d’un bouchon avec un trou. Le manomètre est relié à un tube de verre introduit dans le trou du bouchon. Un morceau de ruban de magnésium Mg de masse égale à m= 86 mg est accroché à un fil fixé dans le bouchon de telle sorte qu’une légère secousse puisse le faire tomber dans l’acide chlorhydrique. Pour conserver la température du mélange réactionnel constante, on introduit le ballon dans un grand cristallisoir Mg contenant de l’eau à la température ambiante de 20C . Le morceau de magnésium est jeté dans l’acide chlorhydrique à l’instant t=0s. On donne:- Masse molaire : M (Mg) = 24,3 g.mol-1; - Constante des gaz parfait R=8,314 (S.I) Le tableau ci-dessous donne les valeurs de la pression enregistrée en fonction du temps : 266 238 212 193 174 160 144 115 90 71 52 18 1036 hPa 0 1297 1297 1294 1287 1273 1261 1239 1198 1159 1127 1097 1040 1009 Manomètre t (s) P (hPa) 1- Ecrire l’équation bilan de la réaction. Les couples mise en jeu sont : Mg 2 / Mg et H 3O / H 2 . ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 2- Quel est la nature du gaz produit ? Comment peut-on le mettre en évidence ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 3- Déterminer p 0 la valeur de la pression d’air enfermé dans le ballon à l’instant t=0s ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 4- Déterminer l’avancement maximal xmax et le réactif limitant. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 5- Pourquoi introduit on le ballon dans un grand cristallisoir contenant de l’eau ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 6- Exprimer la quantité de matière du dihydrogène n(H2) formé à l’instant t en fonction x : ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 2BAC.SC PC 11 Pr. Badr BOUSTAKAT Unité 2 : suivi temporel d'une transformation chimique - vitesse de réaction chimie 7- En appliquant l’équation d’état des gaz parfait, compléter le tableau : 266 238 212 193 174 160 144 115 90 71 52 18 0 1297 1297 1294 1287 1273 1261 1239 1198 1159 1127 1097 1040 1009 t (s) P hPa PH2 hPa n H2 mmol x mmol ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 8- Tracer la courbe x=f(t) : x(mmol) 0,4 t(s) 0 20 9- Déterminer le temps de demi-réaction : ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 2BAC.SC PC 12 Pr. Badr BOUSTAKAT Unité 2 : suivi temporel d'une transformation chimique - vitesse de réaction chimie 10- Calculer la vitesse volumique de la réaction, aux dates t0 = 0 et t1 = 200s. Comment elle varie ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. VI- Suivi de l’évolution temporelle d’une transformation par conductimétrie : 1- Rappel : La conductimétrie Une solution électrolytique est une solution …………………….. qui ………………..le courant électrique. La conductance d’une portion de solution électrolytique est égale à ……….……… de sa résistance : ……………………… Pour mesurer la conductance d’une solution électrolytique on utilise ……………………………………….. : C’est un ensemble de deux plaques métalliques qui trempe dans une solution ionique. محلول (S est leur surface immergée dans la solution, L est la distance entre les deux plaques) : …………….……………… La conductance est proportionnelle à la surface S et inversement proportionnel à la distance L : ……………………………………… Avec : σ la conductivité de la solution. Elle dépend de la température de la nature des ions et de leurs concentrations. Elle est exprimée en …………………………. La conductivité d’une solution électrolytique est donnée par la relation : …………………………………………………………………………… Avec : X i la conductivité molaire ionique de l’ion X i . La cellule conductimétrique est caractérisée par une constante notée …… : o Si …………….. son unité est …………..alors ………………… o Si …………….. son unité est …………..alors ………………… L’unité légale de concentration en (SI) est …………………. La conductivité ou la conductance peut être mesuré directement avec un conductimètre. 2- Activité expérimentale 3 : On se propose d’étudier, par conductimétrie, la cinétique de l’hydrolyse du 2-chloro-2-méthylpropane, noté RCl , suivant l’équation : RCl( aq ) 2 H2O ROH( aq ) H3O(aq ) Cl(aq ) o On prépare dans un bécher un mélange de 40mL d’eau distillée et 40mL d’éthanol. o on plonge dans le bécher un conductimètre préalablement étalonné et on mesure la conductance initiale. 2BAC.SC PC 13 Pr. Badr BOUSTAKAT Unité 2 : suivi temporel d'une transformation chimique - vitesse de réaction chimie On ajoute un volume V=2mL du 2-chloro-2-méthylpropane RCl , avec une pipette, dans le o mélange alcoolique, en déclenchant le chronomètre. o On mesure la conductance G de la solution pour différentes dates. Le tableau suivant donne des exemples de mesures effectués : 70 50 65 50 60 50 55 49,7 50 49,5 45 49,4 40 48,9 35 48,4 30 47,3 22 46,2 16 10 8 6 4 43 37 33 27,5 23,1 2 1 16,5 8,2 t(min) G(ms) x(mmol) 0 0 0 1- Trouver l’expression de la conductance à un instant t, en fonction de H O , cl , H 3O et k la 3 constante de la cellule de conductimétrie. .................................................................................................................................................................................. ..................................................................................................... ............................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................. .................................................... 2- Calculer la valeur de l’avancement maximal x max sachant que l’eau est en large excès. On donne : La densité d RCl 0,84 et La masse molaire M RCl 92,57 g.mol 1 . ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 3- Montrer que : x( t ) x max . G( t ) avec Gf la conductivité à la fin de la réaction. Gf ……………………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………… x(mmol) …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… 4- Compléter le tableau ci-dessus et tracer la courbe d’évolution de l’avancement x en fonction du temps. 5- Déterminer le temps de demi-réaction : ……………………………………………………………….… …………………………………………………………………. ………………………………………………………………… …………………………………………………………………. ………………………………………………………………… 3 t(min) …………………………………………………………………. 0 2BAC.SC PC 14 10 Pr. Badr BOUSTAKAT Unité 2 : suivi temporel d'une transformation chimique - vitesse de réaction chimie 6- Calculer la vitesse volumique de la réaction, aux dates t0 = 0 et t1 = 20min. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. VII- Interprétation microscopique: 1- L'agitation thermique : o Les entités chimiques (atomes, molécules ou ions), présentes dans un fluide (liquide ou gaz) sont en mouvements rapides, incessants et désordonnés, Appelé mouvement brownien. o Elles subissent de très nombreux chocs (dans les conditions usuelles: environ l09 chocs par seconde) et le nombre de ces chocs augmente avec la température (d'où le nom d'agitation thermique). o Pour qu'une transformation chimique se produise, il faut que les entités réactives reçoivent suffisamment d'énergie pour la rupture des liaisons et la formation de nouvelles liaisons. o Si les chocs apportent suffisamment d’énergie pour rompre les liaisons des entités réactives, on les qualifié de chocs efficaces. 2- Les facteurs cinétiques : o La fréquence des chocs est le nombre de chocs par seconde. Elle est proportionnelle au nombre des entités réactives par unité de volume et à la vitesse de ces entités : Plus la fréquence des chocs est grande, plus il y aura une forte probabilité de chocs efficaces, plus la vitesse de la réaction sera grande. o Plus le nombre des entités réactives par unité de volume est grand. C’est-à-dire plus la concentration molaire des réactifs est grande, plus la fréquence des chocs efficaces est grande et plus la vitesse de la transformation est grande. o Plus la température est élevée, plus les vitesses des entités réactives sont grandes, plus la fréquence des chocs efficaces est grande et plus la vitesse de la transformation est grande. Exercices Exercice1 : Pour mesurer la quantité d’alcool dans le sang, on utilise la réaction chimique suivante : 3 CH3CH2OH(aq) + 2 Cr2O72-(aq) + 16 H+(aq) 3 CH3COOH(aq) + 4 Cr3+(aq) + 11 H2O(l) Cette réaction est lente, son évolution est suivie par dosage. À la date t = 0, on mélange vp=2mL de sang prélevé au bras d’un conducteur avec v= 10mL d’une solution aqueuse acidifiée de dichromate de potassium (2K+ + 2 Cr2O72-(aq)) de concentration molaire C=2.10–2 mol.L‐1. Le volume total du mélange réactionnel est VM = 12 mL. Un suivi temporel obtenu par dosage des ions dichromate Cr2O72‐ a permis de tracer la courbe suivant. 1- Établir le tableau d’avancement du système en désignant par n0 la quantité de matière initiale d’alcool présente dans les 2mL de sang et par n1 la quantité de matière initiale en ions dichromate introduite dans le mélange réactionnel. (L’ion H+ est en excès). 2BAC.SC PC 15 Pr. Badr BOUSTAKAT Unité 2 : suivi temporel d'une transformation chimique - vitesse de réaction chimie 2- Quelle relation existe entre l’avancement x de la réaction, la concentration en ions dichromate [Cr2O72–] dans le mélange, le volume VM du mélange réactionnel, et la quantité n1 ? 3- La réaction peut être considérée comme totale. À l’aide du graphique [Cr2O72–] = f(t), calculer l’avancement maximal. 4- Le taux autorisé d’alcool, en France, est de 0,5 g dans 1L de sang. Le conducteur est‐il en infraction ? 5- Exprimer la vitesse volumique de la réaction en fonction de [Cr2O72–]. 6- Déterminer sa valeur à l’instant initial. 7- Déterminer la valeur du temps de demi‐réaction t1/2. Données : Masse molaire moléculaire de l’éthanol : M=46 g.mol‐1. Exercice2 : Dans le cadre d’un projet pluridisciplinaire sur le thème de la spéléologie, des élèves de terminale doivent faire l’exploration d’une grotte où ils risquent de rencontrer des nappes de dioxyde de carbone CO2. A teneur élevée, ce gaz peut entraîner des évanouissements et même la mort. Le dioxyde de carbone est formé par action des eaux de ruissellement acides sur le carbonate de calcium CaCO3 présent dans les roches calcaires. Le professeur de chimie leur propose d’étudier cette réaction. Données : - température du laboratoire au moment de l’expérience : 25°C soit T = 298 K - pression atmosphérique : Patm = 1,020.105 Pa - constante des gaz parfaits : R = 8,31 SI - masses molaires atomiques, en g.mol-1 : M(C) = 12 ; M(H) = 1 ; M(O) = 16 ; M(Ca) = 40 Dans un ballon, on réalise la réaction entre le carbonate de calcium CaCO3(s) et l’acide chlorhydrique (H3O+(aq)+ Cl–(aq)). Le dioxyde de carbone formé est recueilli par déplacement d’eau, dans une éprouvette graduée. Un élève verse dans le ballon, un volume VS=100mL d’acide chlorhydrique à 0,10 mol.L-1. A la date t = 0 s, il introduit rapidement dans le ballon 2,0 g de carbonate de calcium CaCO3(s) tandis qu’un camarade déclenche un chronomètre. Les élèves relèvent les valeurs du volume VCO2 de dioxyde de carbone dégagé en fonction du temps. Elles sont reportées dans le tableau ci-dessous. La pression du gaz est égale à la pression atmosphérique. t (s) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 VCO2 (mL) 0 29 49 63 72 79 84 89 93 97 100 103 t (s) 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 VCO2 (mL) 106 109 111 113 115 117 118 119 120 120 121 La réaction chimique étudiée peut être modélisée par l’équation : CaCO3(s) + 2 H3O+(aq) Ca2+(aq) + CO2(g) + 3H2O(l) 1) Calculer la densité par rapport à l’air du dioxyde de carbone CO2(g). Dans quelles parties de la grotte ce gaz est-il susceptible de s’accumuler ? 2) Déterminer les quantités de matière initiale de chacun des réactifs. 3) Dresser le tableau d’avancement de la réaction. En déduire la valeur xmax de l’avancement maximum et le réactif limitant. 4) a) Exprimer l’avancement x de la réaction à une date t en fonction de VCO2, T, Patm et R. Calculer sa valeur numérique à la date t = 20 s. b) Calculer le volume maximum de gaz susceptible d’être recueilli dans les conditions de l’expérience. La transformation est-elle totale ? 5) Les élèves ont calculé les valeurs de l’avancement x et reporté les résultats sur le graphe ci-dessous : a) Donner l’expression de la vitesse volumique de réaction en fonction de l’avancement x et du volume VS de solution. Comment varie la vitesse volumique au cours du temps ? Justifier à l’aide du graphe. 2BAC.SC PC 16 Pr. Badr BOUSTAKAT Unité 2 : suivi temporel d'une transformation chimique - vitesse de réaction chimie b) Définir le temps de demi réaction t1/2. Déterminer graphiquement sa valeur sur l’annexe. 6) La température de la grotte qui doit être explorée par les élèves est inférieure à 25°C. a) Quel est l’effet de cet abaissement de température sur la vitesse volumique de réaction à la date t = 0 s ? b) Tracer, sur l’annexe, l’allure de l’évolution de l’avancement en fonction du temps dans ce cas. 7) La réaction précédente peut être suivie en mesurant la conductivité de la solution en fonction du temps. a) Faire l’inventaire des ions présents dans la solution. Quel est l’ion spectateur dont la concentration ne varie pas ? b) On observe expérimentalement une diminution de la conductivité. Justifier sans calcul ce résultat connaissant les valeurs des conductivités molaires des ions à 25°C : (H3O+) = 35,0 mS.m².mol-1 ; (Ca2+) = 12,0 mS.m².mol-1 ; (Cl-) = 7,5 mS.m².mol-1 c) Calculer la conductivité de la solution à l’instant de date t = 0 s. d) Montrer que la conductivité est reliée à l’avancement x par la relation : = 4,3 – 580.x e) Calculer la conductivité de la solution pour la valeur maximale de l’avancement. Exercice3 : Les oxydes d’azote (N2O, N2O3, NO, NO2...) sont émis dans l’atmosphère par les installations de chauffage, les automobiles, les centrales thermiques, les volcans ou les orages. Ils participent à 3 phénomènes différents de pollution atmosphérique : - formation de pluies acides, - pollution photochimique : création de composés oxydants tels que l’ozone, - augmentation de l’effet de serre. À température élevée, le pentaoxyde de diazote, de formule N2O5 se décompose selon la réaction lente suivante : 2 N2O5 (g) 4 NO2 (g) + O2 (g) On se propose d’étudier la cinétique de cette réaction lente et totale. Protocole expérimental On place du pentaoxyde de diazote dans une enceinte fermée de volume V = 0,50 L à température constante T=318 K. Un baromètre mesure l’évolution de la pression P de l’enceinte en fonction du temps. A t = 0, on mesure une pression P0 = 463,8 hPa = 4,638 × 104 Pa. Les mesures du rapport P/P0 en fonction du temps sont reportées dans le tableau ci-dessous. Dates t en s 0 10 20 40 60 80 100 P/P0 1,000 1,435 1,703 2,047 2,250 2,358 2,422 2BAC.SC PC 17 Pr. Badr BOUSTAKAT Unité 2 : suivi temporel d'une transformation chimique - vitesse de réaction chimie À partir de ces mesures, on représente le graphique la quantité (P/P0) en fonction du temps (figure ci- contre). Données : Constante des gaz parfaits R = 8,31 J.mol1.K1. Équation d’état des gaz parfaits : PV = nGRT, nG correspondant à la quantité de matière totale de gaz du système chimique. On considère que tous les gaz se comportent, au cours de l’expérience, comme des gaz parfaits. 1. Soit n0 la quantité de matière initiale du pentaoxyde de diazote. 1.1. Montrer que n0 = 8,8.103 mol. 1.2. Dresser le tableau d’avancement de la transformation chimique étudiée. 1.3. Montrer que l’avancement maximal xmax de la réaction a pour valeur 4,4 mmol. 2. Pour réaliser ce suivi temporel de la réaction, il a fallu trouver la relation entre P et x. P0 2.1. En utilisant le tableau d’avancement, exprimer la quantité de matière totale de gaz n G en fonction de n0 et de x avancement de la réaction. 2.2. En déduire, en appliquant l’équation d’état des gaz parfaits, la relation suivante : 2.3.En utilisant le résultat du 1.3, calculer le rapport P 3x 1 P0 n0 Pmax où Pmax est la valeur de la pression de l’enceinte P0 lorsque l’avancement maximal est atteint. 2.4.Justifier à l’aide du tableau de mesures que la réaction n’est pas terminée à t=100 s. 3. Étude de la cinétique de la réaction. 3.1. Trouver l’expression de la vitesse volumique de la réaction en fonction de n0,V et la dérivée par rapport au temps de la fonction P . Calculer sa valeur à t=0 P0 .3.1.Comment varie la vitesse volumique de réaction au cours du temps ? Justifier à l’aide de la courbe. 3.2 Définir le temps de demi-réaction t1/2 et déterminer sa valeur à l’aide du graphe. من كانت بدايته حمرقة كانت نهايته مشرقة 2BAC.SC PC 18 Pr. Badr BOUSTAKAT
