dm2_énoncé

 Devoir
maison n° 2
CHIMIE
A remettre
semaine 8
Jeudi 5
novembre
Exercice 1 : préparation du dibrome in situ
Cette partie s’intéresse aux caractéristiques thermodynamique et cinétique d’une réaction permettant la synthèse de dibrome en laboratoire. Le dibrome peut ainsi être synthétisé juste avant d’être utilisé, ce qui évite la conservation risquée de flacons de dibrome. Le dibrome peut être synthétisé en laboratoire en faisant réagir du bromate de sodium (NaBrO3) et du bromure de sodium (NaBr). L’équation de la réaction est la suivante : -­‐
-­‐
BrO3 (aq) + 5 Br (aq) + 6 H3O+ = 3 Br2(aq) + 9 H2O(l) (I) Etude cinétique de la réaction (I) : L’étude cinétique de la réaction (I) montre que la réaction admet un ordre vis-­‐à-­‐vis de chacun des réactifs. On se propose de déterminer les ordres partiels de réaction ainsi que la constante de vitesse. -­‐
-­‐
On notera respectivement a, b et c les ordres partiels des espèces BrO3 (aq), Br (aq) et H3O+, et k la constante de vitesse de la réaction. On considérera que les ordres restent inchangés tout au long de la réaction. 1)
Exprimer la vitesse volumique de la réaction en fonction des concentrations des espèces considérées, des ordres partiels et de la constante de vitesse. Une première expérience est réalisée à 0°C à partir des concentrations initiales suivantes : -­‐
-­‐
[BrO3 ]0 = 1,0.10-­‐3 mol.L-­‐1 ; [Br ]0 = 1,4. 10-­‐1 mol.L-­‐1 ; [H3O+]0 = 1,0. 10-­‐1 mol.L-­‐1 -­‐
L’évolution de la concentration en ions BrO3 (que l’on notera C par commodité) en fonction du temps est représentée sur la figure 3. -­‐1
Figure 3 : Evolution de la concentration en ions bromate (mmol.L ) en fonction du temps (103s) 2)
3)
4)
5)
Commenter les concentrations choisies pour réaliser cette expérience. Quelle approximation peut-­‐on effectuer ? Sous quelle forme peut-­‐on simplifier l’expression de la vitesse volumique de la réaction donnée à la question précédente ? Définir et déterminer le temps de demi-­‐réaction relatif aux ions bromate. Rappeler la relation reliant la concentration en ions bromate et le temps dans le cas où la réaction est d’ordre 1 par rapport aux ions bromate. Même question si la réaction est d’ordre 2 par rapport aux ions bromate. En vous servant des figures 4 et 5 ci-­‐après, en déduire l’ordre partiel de la réaction par rapport aux ions bromate. Justifier. Figure 4 : Evolution du logarithme de la concentration en ions bromate en fonction du temps (103s). Figure 5 : Evolution de l’inverse de la concentration en ions bromate en fonction du temps (103s). Plusieurs autres expériences ont été réalisées à 0°C pour une même concentration initiale en ions -­‐
bromate [BrO3 ]0 = 1,0.10-­‐3 mol.L-­‐1 et pour des concentrations variables en ions bromure et oxonium. Dans chaque expérience, la vitesse initiale a été déterminée. Les résultats sont rassemblés dans le tableau suivant : Expériences -­‐
[Br ]0 (mol.L-­‐1) [H3O+]0 (mol.L-­‐1) Vitesse initiale (mol.L-­‐1.s-­‐1) N°1 0,10 0,10 4,1.10-­‐5 N°2 0,15 0,10 6,2.10-­‐5 N°3 0,10 0,20 16,4.10-­‐5 6) Déterminer l’ordre partiel par rapport aux ions bromures et l’ordre partiel par rapport aux ions H3O+. 7) Calculer la constante de vitesse k de la réaction. Préciser clairement son unité. Exercice
2:
décomposition
phénolphtaléine en milieu basique
de
la
La phénolphtaléine est couramment utilisée comme indicateur coloré acido-­‐basique et peut intervenir dans le domaine pharmacologique comme laxatif. Sa forme basique P2-­‐, de couleur rose, peut réagir avec les ions hydroxyde pour donner une espèce incolore POH3-­‐ suivant une réaction : P2-­‐ + HO-­‐ = POH3-­‐ On suppose que la loi de vitesse s’écrit sous la forme : 

v1 = k1.[ HO-­‐][ P2-­‐] pour la réaction en sens direct ; On néglige dans cette partie la réaction dans le sens indirect. On réalise un mélange de concentrations initiales C0 = 5,00.10-­‐2 mol.L-­‐1 en hydroxyde de sodium (Na+ et HO-­‐) et C0 = 2,50.10-­‐5 mol.L-­‐1 en P2-­‐. La concentration en POH3-­‐ est initialement nulle. 1) Montrer, compte tenu des conditions initiales, que l’on peut se ramener à une forme simplifiée pour la vitesse de la réaction se déroulant dans le sens direct. On posera k’1 = k1.C0. La cinétique est suivie par spectrophotométrie. Dans les conditions choisies (λ = 550 nm), seule la forme basique P2-­‐ de la phénolphtaléine absorbe. Les résultats sont les suivants : t (s) A 0 0,780 150 0,693 300 0,617 450 0,553 600 0,503 750 0,452 On note A et A0 les absorbances respectivement à l’instant à t et à l’instant initial. 2) Montrer que : Ln
A
= −𝑘′! . t A!
3) A partir d’une régression linéaire et d’un tracé (qui peut être effectué à l’aide d’un tableur comme Excel ou Graphe2D, mais qui peut aussi être effectué sur feuille de papier en traçant la courbe), vérifier que les résultats expérimentaux concordent avec les hypothèses sur les lois de vitesse. En déduire la valeur de k’1 (sans oublier son unité). Exercice 3 : dernière étape d’une synthèse
magnésienne, retour au laboratoire…
Dans le schéma synthétique ci-dessous, on souhaite préparer du triphénylméthanol (représenté cidessous) par une synthèse magnésienne (le magnésium, métal) selon la séquence suivante :
Nous prenons la synthèse en voie d’achèvement parce que dans l’étape 4 décrite ci-­‐dessous, le triphénylméthanol vient d’être obtenu, et il est toujours présent dans le solvant dans lequel il a été préparé, l’étheroxyde, ou diéthyléther Et2O. Il faut maitenant l’isoler et le caractériser. IV -Quatrième étape : extraction, purification et
caractérisation du triphénylméthanol
 Transvaser dans une ampoule à décanter et récupérer les phases aqueuse et organique dans
deux erlenmeyers différents.
 Extraire la phase aqueuse par deux fois 10 mL d’éther et regrouper les phases organiques.
1) Quel est le but d’une extraction ? 2) Comment repérer les positions relatives de la phase organique et de la phase aqueuse dans l’ampoule à décanter ?  Laver la phase organique avec successivement.
3) Quel est le rôle du lavage de la phase organique ?
 Sécher la phase organique et filtrer dans un ballon adapté à l’évaporateur rotatif.
4) Comment sèche-t-on une phase organique ? Nommer un réactif couramment utilisé.
Comment voit-on qu’il y en a assez pour sécher la phase organique ?
 Evaporer le solvant. Récupérer le solide brut.
5) Comment évapore-t-on un solvant d’une synthèse organique afin de recueillir le
solide ?
 Chercher dans le Handbook le point de fusion du triphénylméthanol pur.
 Mesurer le point de fusion du produit brut.
6) Quel appareil permet de mesurer un point de fusion ? Que faut-il faire avant toute
utilisation ?
 Recristalliser dans de l’éthanol à 95%.
7) En 8 lignes maximum, expliquer le but d’une recristallisation, ainsi que sa réalisation
pratique (solvant, chauffage,…).
 Sécher à l’étuve, peser et prendre le point de fusion.
 Test qualitatif : dans un tube à essais contenant 1 mL d’acide sulfurique concentré, ajouter quelques
cristaux de triphénylméthanol. La coloration orange obtenue révèle la formation du carbocation
(C6H5)3C+.
 Obtenir le spectre infra-rouge du triphénylméthanol et le comparer à celui de la bibliothèque de
spectres. Indiquer les bandes d’absorption caractéristiques en vous aidant des tables.