Domaine principal ② : CHIMIE

Domaine principal ② : CHIMIE

Sous Domaine ❶ :

Transformations lentes et transformations rapides d’un système chimique

Chapitre 1:

Chapitre 2:

Transformations lentes et transformations rapides

Suivi temporel d’une transformation – Vitesse de réaction

Chimie

Chapitre 1:

Transformations lentes et transformations rapides

I. Réaction d’oxydo-réduction

1-Déffinition Un oxydant est une espèce susceptible de capter un ou plusieurs électrons.

Un réducteur est une espèce chimique susceptible de céder un ou plusieurs électrons.

Réaction d’oxydation est une réaction dans laquelle il y’a perte d’un ou plusieurs

électrons. (l’oxydation est une réaction qui conduit à la formation d’un oxydant)

Réaction de réduction est une réaction dans laquelle il y’a gain d’un ou plusieurs

électrons.(la réduction est une réaction qui conduit à la formation d’un réducteur)

Remarque:

l’oxydant se réduit et le réducteur s’oxyde

exemple

Demi équation Nature L’oxydant Le réducteur

Réduction

oxydation

oxydation

Réduction

𝑪𝒖(𝒂𝒒)𝟐+ + 𝟐𝒆− ↔ 𝑪𝒖(𝒔)

𝑭𝒆(𝒂𝒒)𝟑+ + 𝒆− ↔ 𝑭𝒆(𝒂𝒒)

𝟐+ 𝑭𝒆(𝒂𝒒)𝟑+ 𝑭𝒆(𝒂𝒒)

𝟐+

𝑨𝒍(𝒔) ↔ 𝑨𝒍(𝒂𝒒)𝟑+ + 𝟑𝒆− 𝑨𝒍(𝒂𝒒)

𝟑+ 𝑨𝒍(𝒔)

𝑪𝒖(𝒂𝒒)𝟐+ 𝑪𝒖(𝒔)

𝟐𝑰(𝒂𝒒)− ↔ 𝑰𝟐 (𝒂𝒒) + 𝟐𝒆− 𝑰(𝒂𝒒)

− 𝑰𝟐 (𝒂𝒒)

2-Couple d’oxydo-réduction

• Un couple d’oxydo-réduction Ox / Red est constitué par un oxydant et un réducteur

conjugués

• il sont reliés par une écriture formelle appelée demi-équation d’oxydo-réduction :

Remarque :

Si l’oxydant (ox) est le réactif la demi équation s’écrit sous la forme :

Si le réducteur (red) est le réactif la demi équation s’écrit sous la forme :

Exemple

3-Equilibration de la demi équation d’oxydo-réduction

• Conservation des éléments chimiques sauf l’Oxygène et l’Hydrogène par des

coefficients stœchiométrique .

• Conservation de l’élément oxygène on ajoutent de l’eau pour chaque atome

d’oxygène manquante.

• milieu acide et conservation de l’élément hydrogène en ajoutant des protons

pour chaque atome d’hydrogène manquante.

• Conservation de la charge,

• En milieu basique on ajoutent l’ion hydroxyde

4-Réaction d’oxydo-réduction

Une réaction d’oxydo-réduction met en jeu un transfert d’électrons du

réducteur Red2 , d’un couple oxydant/réducteur vers l’oxydant Ox1 d’un autre

couple oxydant/réducteur .

On considère les deux couples Ox1 / Red1 et Ox2 / Red2

La demi équation de réduction :

La demi équation d’oxydation:

L’équation bilan :

II. Une transformation rapide et une transformation lente

1-réaction rapide

Une transformation rapide se fait en une durée trop courte pour être suivie à l’œil ou

avec les instruments de mesures usuels disponibles au laboratoire .

Exemple : précipitation d’Iodure de Plomb ( 𝐏𝐛 I2 (𝒔): Jaune )

2-réaction lente

Une transformation lente peut être suivie pendant plusieurs secondes, minutes, heures à

l’œil ou par les instruments de mesure disponibles au laboratoire .

Exemple : Oxydation des ions iodure par l’eau oxygénée…….

Ox1 / Red1

Ox2 / Red2

a-Activité 1:

On mélange une solution d’iodure de potassium et une solution

acidifiée de l’eau oxygénée .

2 2H O + -K ;I

Eau froide

❷ ❶

b-Exploitation:

Dans le bécher ❷ la coloration prend plusieurs minutes , tandis que dans le bécher

❶, elle apparait plus rapidement .

c-Conclusion:

L’évolution d’un système chimique est d’autant plus rapide que sa

température est plus élevée .

2-L'influence de la concentration.

a-Activité 2:

On refait l’expérience du paragraphe précédant ….

III.Facteurs cinétiques.

1-L'influence de la température.

𝑯+

L’équation de

la réaction :

+2 2(aq) (aq) (aq) 2(aq)2 (l)

-H O +2I +2H 2 IH O +

I2

2 2H O 10-2 moll-1

10-1moll-1 -I

10-2 moll-1

4.10-1moll-1 -I

10-2 moll-1

8.10-1moll-1

I2 I2

b-Exploitation:

On remarque ici que plus la concentration initiale en ions iodure I−

est importante (elle augmente de gauche à droite), plus la coloration

apparaît rapidement.

c-Conclusion:

-I2 2H O 2 2H O

L’évolution d’un système chimique est d’autant plus rapide que les

concentrations en réactifs sont plus importantes .

⇄

Chapitre 2:

Suivi temporel d’une transformation – Vitesse de réaction

• Effectuer le suivi temporel d’une transformation chimique , c’est connaître

la composition du mélange réactionnel à chaque instant .

Introduction

• Pour suivre l’évolution du système chimique au cours de la transformation

, il suffit de connaître l’avancement x ( quantité de matière formée ou

consommée ) en fonction du temps t. x = f(t)

Techniques de suivi des réactions chimiques

• Méthodes physiques de suivi d'une transformation lente :

Il y a plusieurs technique pour suivre l’évolution d’une réaction chimique :

Conductimétrie: Pour les milieux réactionnels contenant des ions.

pH-métrie: Pour les milieux réactionnels contenant des ions H+(aq) ou H3O

+.

Mesure de volume ou de pression: lorsqu'un gaz est mis en

jeu. • Méthode chimique de suivi d'une transformation lente :

Réaction de titrage ou de dosage

On dose le diiode formée I2 par une solution aqueuse titrante de thiosulfate de sodium de concentration C=0,02mol/l et on appelle VE le volume de la solution titrante versée à l’équivalence .

La réaction met en jeu les couples et

1-1-suivi par titrage( dosage).

1-Suivi temporel d’une transformation chimique

a-activité 1

- À l’instant t=0, on mélange un volume V1=50ml d’une solution

d’eau oxygénée H2O2 de concentration C1=5,3.10−2mol/l et un

volume V2=50ml d’une solution d’ iodure de potassium (K++I-) de

concentration C2=2.10−1mol/l .

2 2 2H O /H O 2-I /I

+2 2(aq) (aq) (aq) 2(aq)2 (l)

-H O +2I +2H 2 IH O +

l’équation de la réaction s’écrit :

- À l’instant t=2min on prend un volume VP= 10ml du mélange réactionnel et on le verse dans un bécher contenant de l’eau glacée.

+ 22 3

-2Na +S O( )

I2

mélange

l’équation de la réaction du dosage est : 2- - 2-

2 3(aq) (aq) 4 6(aq2(aq) )+ S O 2I +S OI 2 (Réaction rapide)

I2

Mélange réactionnel

glace

trempe

+ 22 3

-2Na +S O( )

VP=10ml

Thiosulfate de sodium

VE= ?…

À l’équivalence , on a :

E2i

1n ( )=

2C VI

Déterminer l’expression de la quantité de matière formée ni(I2) ?

22

2 3i-1

n ( )= .n(S O2

I )

Donc :

On répète cette opération pendant des dates différentes. On note dans un tableau le volume VE

t(min) 0 2 6.0 10 15 20 25 30 40 50

VE(ml) 0 5,0 10 14 16 17 17,8 18,4 19 19,4

n(I2) mmol 0 0,5 1,0 1,40 1,60 1,70 1,78 1,84 1,90 1,94

qui correspond à chaque date .

Et on trace la courbe n(I2) = f(t) : 2x =n(I ) (mmol)

t(min)

b-Exploitation :

Dressons le tableau d’avancement de la réaction.

Équation de réaction

État avencement Quantités de matière

État initial 0

À l’instant t x

État finale xf

1 1C V

2+

2 2 2-H O + 2I +2H 2H O+I

2 2C V 0 0

1 1C V - x excès excès x

1 1 fC V - x excès excès

On constate que l’avancement de la réaction x à un instant t est égal à la quantité de diiode formé à cet instant: x(t)=n(I2)t . Donc x(t) et n(I2) ont la même courbe Fig:1.

fx

La connaissance de n(I2) permet donc de déterminer complètement la composition du mélange réactionnel à l'instant considéré : ……

excès

𝑪𝟐𝑽𝟐 − 𝟐x 𝑪𝟐𝑽𝟐 − 𝟐x𝒇

Fig:1

La réaction produit des ions H+ et Cℓ- , ce qui augmente la conductivité σ du milieu . 0,489

2 2n(H O ) (mmol)

t(min)

Graphe de n(H2O2) en fonction de temps

1-2-suivi par conductimétrie. a-activité 1

On considère la réaction suivante: +(aq) (aq)2RCl+H -ROH H +ClO +

eau

S.m-1 conductimètre

eau +RCl

bain-marie

On relève la valeur de la conductivité σ du mélange au cours du temps

On obtient le tableau suivant.

La quantité de matière initiale est ni(RCℓ)=9,1.10-3 mol .

𝒏(𝑰−) = 𝑪𝟐𝑽𝟐 − 𝟐x

𝒏 𝑰𝟐 = x

𝒏(𝑯𝟐𝑶𝟐) = 𝑪𝟏𝑽𝟏 − x

.+max

max H Cl

xσ = λ +λ -

V( )

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 t(s)

1,955 1,955 1,905 1,856 1,759 1,661 1,466 1,270 0,977 0,489 0 σ (S.m-1)

b-Exploitation :

Et d’après ce tableau : + - x

H = Cl =V

+

+H Cl

-σ=λ H +λ Cl- La conductivité de la solution à l’instant t est :

On a alors : .+H Cl

xσ= λ +λ -

V( )

On considère que la réaction est totale (l'eau est en excès)

Donc : -3maxf

=i

x =x =n (RCl 9,1.10) mol

À la fin de la transformation, on a: ❷

❶

σmax Établissons le tableau d’avancement :

Équation de réaction

État avencement Quantités de matière

État initial 0

À l’instant t x

État finale xf

0n 0

0n - x x

0 fn - x

fx

+2 (aq) (aq)

-RCl + H O ROH+ H +Cl

excès

excès

excès

0

x

fx

0

x

fx

❷

❶

max max

σ x=

σ xmax

max

σx = x

σ

On peut calculer les valeurs de x aux dates indiquées dans le tableau, et tracer la courbe x=f(t).

La mesure de la conductivité σ(t) permet donc de suivre, en continu, l'avancement de la réaction.

1-3-suivi par mesure de pression.

a-activité 1 On introduit dans un ballon relié à un manomètre :

On obtient le tableau suivant. Mg

Solution de (H3O++Cl-)

Formation de H2

manomètre

1025

hPa

- V=50,0 mL d’acide chlorhydrique de concentration C=5,0.10-1mol.L-1

- m=0,020g de magnésium. M (Mg)=24,3g.mol-1

On relève la valeur de la pression toutes les 30 secondes.

+ 2+(s) (aq) (aq) 2(g)Mg +2H Mg +H

L’équation de la réaction est :

330 300 270 240 210 180 150 120 90 60 30 0 t(s)

1093 1093 1091 1087 1081 1079 1068 1060 1048 1036 1025 1013 P(H2)t hPa

Pmax b-Exploitation :

Détermination de xmax :

Établissons le tableau d’avancement :

Équation de réaction

État avencement Quantités de matière (mmol)

État initial 0

À l’instant t x

État finale xf

0,82 0

0,82- x x

f0,82- x

fx

0

x

fx

+ 2+(s) (aq) (aq) 2(g)2Mg + H Mg +H

-3=0,5 50.10i

+n (H )=C.V

i

mn (Mg)=

M(Mg)

-22.10=

24,3

-4=8,2.10 mol

-2=2,5.10 mol

25

25-2.x

f25-2.x

Calcul des quantités de matières initiales:

=0,82 mmol

=25 mmol

max0,82- x =0

max25- .x2 =0

maxx =0,82 mmol

maxx =12,5 mmolmaxx =0,82 mmol

Mg est le réactif limitant

On considère le dihydrogène comme un gaz parfait :

2 2P(H ).V =n(H ).R.T

À la fin de la transformation

atm2P=P(H )+P

atmP-P2

n(H ).R.T=

V

À l’instant t :

tmax a mP -P max2n(H ) .R.T

=V

❶ ❷

❷

❶

maxmax

atm

atm

P -P x=

P -P x

Puisque n(H2) = x donc n(H2)max = xmax

atm

atmax

max m

P -Px = .x

P -P

Avec : xmax= 0,82mmol , Patm=1013 hPa Pmax=1093 hPa ,

On peut calculer les valeurs de x aux dates indiquées dans le tableau, et tracer la courbe x=f(t). On obtient la même courbe du paragraphe (1-1-a) .

La mesure de la pression P permet de suivre, en continu, l'avancement de la réaction.

La pression mesurèe est :

2-Vitesse de réaction et le temps de demi-réaction. a-Vitesse de réaction :

La vitesse volumique de réaction est définie par : υ1 dx

=V dt

dx : l’accroissement de l’avancement x en mol

ou mol.l-1.s-1 , mol.l-1.min-1 , mol.l-1.h-1

dt : l’accroissement du temps t (en s , en min ou en h) . V : le volume réactionnel (en litre ou m3) .

L’unité de la vitesse volumique dans le SI est : mol.m-3.s-1

À partir de la courbe x = f(t). en calculant le coefficient directeur a=dx/dt à l’instant t de la tangente à la courbe et en le divisant par le volume V.

• Détermination graphique de la vitesse de réaction :

On observe (graphique ci-contre) que le coefficient directeur a diminué au cours du temps, donc la vitesse volumique de réaction diminue au cours du temps. υ

x(mmol)

t(min)

t0=0 t1 t2 b- Le temps de demi-réaction t1/2

Une augmentation de température a pour effet d’augmenter la vitesse de la réaction , sans changer la valeur de l’avancement final xf .

x

t

xf xmax

t1/2 0

fx

2

Réaction limitée

˃Le temps de demi-réaction t1/2 d’un système chimique est la durée nécessaire pour que l’avancement x parvienne à la moitié de sa valeur finale .

f1/2

xx(t )=

2

max1/2

xx(t )=

2

˃Si la transformation est totale on aura :

3-Facteurs influençant la vitesse volumique de réaction 3-1-La température

υ υ1 2

x

t 0 21 >θ θ

1θ

2θ

υ0,1 υ0,2

1 2>(θ θ )

3-2-La concentration initiale des réactifs x

t 0

υ0,1υ0,2

La vitesse de réaction augmente quand la concentration initiale des réactifs augmente . 02 01

--I I>

υ υ1 2

01 02

--I I>

02

-I

01

-I

choc efficace

4-Interprétation microscopique:

2A

2B

AB

AB

2A

2B 2B

2A

choc non efficace

On considère deux entités A2 et B2 , les multiples chocs entre ces entités sont à l’origine de leur transformation en molécules AB

22+BA 2AB

Pour qu’un choc soit efficace , c’est à dire pour qu’il y a apparition de molécules A-B , il faut casser la liaison A-A et la liaison B-B pour former deux liaisons A-B . Pour briser des liaisons ça nécessite un apport d’énergie .

-Influence de la concentration initiale :

Plus le nombre d’entités réactives est grand , plus la fréquence des chocs efficaces est grande et plus la transformation est rapide. Le nombre d’entités relatives est proportionnel à la concentration de ces entités

-Influence de la température :

Plus la température est élevée (augmentation de l’agitation thermique) , plus la fréquence des chocs est grande et plus la transformation est rapide (vitesse de réaction augmente).

Vitesse de réaction et facteurs cinétiques