TP Terminale 22

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Suivi cinétique d’une transformation par conductimétrie

Objectifs : - Suivre l’évolution d’une transformation par conductimétrie. - Utiliser un logiciel tableur-grapheur et exploiter un graphique.

- Déterminer graphiquement un temps de demi-réaction. - Voir l’influence du solvant sur la cinétique d’une transformation.

Le chlorure de tertiobutyle tBu-Cl correspond au 2-chloro-2-méthylpropane d’après la

nomenclature officielle. Il est utilisé comme solvant pour les peintures, intermédiaire dans la synthèse de

certains parfums, et permet d’augmenter l’indice d’octane dans les carburants.

On considère ici son hydrolyse à laquelle est associée l’équation :

tBu-Cl(aq) + H2O(l) → tBu-OH(aq) + H+

(aq) + Cl-(aq)

Cette transformation est suffisamment lente pour être suivie temporellement par mesure de la conductivité σ

de la solution. C’est ce que l’on se propose de réaliser.

I. Protocole expérimental.

Montage expérimental :

Une solution S1 est préparée par dilution d’un volume V0 = 5,00 mL de chlorure de tertiobutyl (tBu-Cl)

dans une fiole de volume VA = 500 mL complétée jusqu’au trait de jauge avec de l’acétone. Le chlorure tBu-Cl ne

réagit pas avec l’acétone qui joue donc le rôle de solvant.

Le second réactif est simplement de l’eau.

Mode opératoire :

On considère deux mélanges :

Dans un bécher de 250 mL, verser assez précisément VX correspondant au mélange X. Installer la

cellule de conductivité et mettre en route l’agitation.

Réaliser les réglages en vous aidant de la feuille jointe.

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Quand tous les réglages sont prêts, verser dans le bécher le volume V1 = 10 mL de la solution S1 et

déclencher en même temps l’acquisition en appuyant sur la barre d’espace. Il s’agit du temps t = 0, début de la

réaction d’hydrolyse.

En fin de réaction, transférer votre résultat sur Régressi® en ajoutant le commentaire « Mélange X » et

en cochant la case nouveau dossier.

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Mélange X 80mL d’eau + 10 mL d’acétone = VX

Mélange Y 90 mL d’eau = VY

Alimentation

Conductimètre

ORPHY

(Voie C)

Conductimètre

CDM210

POWER

IN

CELL

Milieu réactionnel :

mélange tBuCl +eau

à l’instant t = 0

cellule

conductimétrique

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Recommencer la même manipulation avec le mélange Y : dans un bécher de 250 mL, verser précisément

VY correspondant au mélange Y. Installer la cellule de conductivité et mettre en route l’agitation.

Réaliser les réglages en vous aidant de la feuille jointe.

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Recommencer l’acquisition et à la fin, transférer votre résultat sur Régressi® en ajoutant le

commentaire « Mélange Y » et en cochant la case nouvelle page.

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II. Exploitation des résultats.

Document 1 : Définition de t1/2

Le temps de demi-réaction, noté t1/2 , est souvent utilisé pour caractériser la rapidité à atteindre l’état final.

Il correspond à la durée au bout de laquelle

l’avancement de la réaction vaut la moitié de sa

valeur finale :

x(t1/2) = xf / 2

En pratique, on le détermine graphiquement.

Document 2 : Principe de la conductimétrie et loi de Kohlrausch.

Une solution ionique conduit le courant électrique du fait de la présence de porteurs de charge (les ions).

La conductivité σ d’une solution est la grandeur qui représente la capacité de cette solution à conduire le

courant électrique. Elle s’exprime en siemens par mètre (S. m-1

).

Plus la conductivité d’une solution ionique est élevée, plus cette solution conduit le courant électrique.

La conductivité σ d’une solution se mesure à l’aide d’un conductimètre.

Elle dépend de la nature des ions Xi présents dans cette solution et de leur concentration Xi.

Quantitativement, on établit la loi de Kohlrausch : [ ]

Rq : Lors d’une réaction chimique, si les concentrations des ions du milieu n’évoluent plus en fonction du temps, la conductivité σ est une constante.

Document 3 : Quelques données

Données : - densité de tBu-Cl : d0 = 0,85

- Masse molaire du tBu-Cl : MtBu = 92,6 g.mol-1

- Masse volumique de l’eau : ρeau = 1,00 g.mL-1

- Masse molaire de l’eau H2O : MH2O = 18,0 g.mol-1

- Conductivité molaire ionique dans l’eau : λ(H+) = 35 mS.m2.mol

-1

λ(Cl-) = 7,6 mS.m2.mol

-1

avec [Xi] la concentration, en mol.m-3, de chaque ion Xi de la solution, λi la conductivité molaire ionique de l’ion Xi , en S.m

2.mol

-1. Elle dépend de la nature de l’ion et de la température.

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1. Parmi toutes les espèces chimiques présentes dans le milieu réactionnel, préciser celles qui participent à

la conductivité de la solution ? Justifier.

2. Expliquer alors qualitativement l’évolution de la conductivité σ au cours de la réaction d’hydrolyse de

tBu-Cl.

3. Déterminer la valeur expérimentale σfinale que vous avez obtenue en fin de réaction pour les mélanges X

et Y. Pour cela, on utilisera les modèles prédéfinis proposés sur le logiciel Régressi®

pour modéliser les

courbes ou bien on utilisera le curseur réticule.

4. Définir puis déterminer graphiquement le temps de demi-réaction t1/2 grâce aux courbes σ = f (t) pour les

mélanges X et Y en justifiant votre détermination. Appeler le professeur pour contrôler votre méthode.

5. Exprimer la conductivité σ de la solution en fonction des concentrations des espèces présentes.

6. On souhaite exprimer la concentration des ions H+ et Cl

- en fonction de l’avancement x de la

transformation. Compléter pour cela un tableau d’avancement associé à la transformation :

état du système avancement tBu-Cl(aq) + H2O(l) → tBu-OH(aq) + H

+(aq) + Cl

-(aq)

Etat initial 0

Etat intermédiaire x

Etat final xf

7. Exprimer alors la conductivité σ en fonction de l’avancement x. On montrera que σ(t) = 426.x pour les

deux mélanges avec σ en S.m-1

.

8. a. En vous aidant des données, calculer la quantité de matière n0 de tBu-Cl introduite initialement

dans le bécher.

b. Montrer également que l’eau a été introduite en large excès dans les deux mélanges.

9. a. En supposant que la transformation est totale, déterminer l’avancement maximal xmax.

b. En déduire la conductivité finale σmax de la solution à l’aide des conductivités ioniques molaires.

c. Comparer alors les deux valeurs théorique σmax et expérimentale σfinale et proposer une explication

par rapport à l’écart obtenu. On portera notamment un regard critique sur la flèche de la réaction.

10. Comment évolue la vitesse de la réaction au cours du temps ? Justifier cette allure.

11. Cette transformation a été suivie par conductimétrie. Justifier l’utilisation possible d’une autre méthode ?

12. Que peut-on dire de l’influence du solvant sur la cinétique de la transformation chimique ? Justifier.

13. Pour le plaisir :

a. Ecrire la réaction étudiée en utilisant les formules semi-développées puis topologiques.

b. A quelle catégorie de transformation en chimie organique appartient l’hydrolyse de tBu-Cl ?

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Réglages pour le suivi de la cinétique :

Conductimètre :

Mode conductivité

Gamme à fixer 4mS en conductance, valider avec

Unité s/m……… valider

% du signal…….. valider

Mesure autoread NON

Sample pour lire la valeur de la conductivité.

Ouvrir le logiciel GTS2 : (Démarrer → Tous les programmes → Regressi → GTS2)

En bas à droite de la fenêtre, cliquer sur la fenêtre de couleur bleue.

Dans la partie « entrée analogique », choisir « EA6 prise C »

Dans la partie « Grandeur physique », indiquer :

Symbole : σ (ctrl s)

Unité : mS/m

Cliquer sur « avec capteur ou étalonnage », indiquer :

Valeur correspondant à 0 volt : 0

Δσ/ΔV : 800

Dans la partie « affichage », choisir : Minimum : 0

Maximum : 400

Revérifier les unités et insister pour mettre Unité : mS/m

Vérifier que la fenêtre affichée ressemble au document ci-contre :

puis « Activer ».

Cliquer sur la fenêtre blanche (en haut à droite) « mode d’acquisition » :

Mode de fonctionnement : temporel

Abscisse : temps

Puis « OK »

Dans la fenêtre « balayage », choisir : Durée : 600 s (c’est la durée de la réaction)

Nombre de points : 300

S’affiche automatiquement : t = 2s et f = 500 mHz

Désactiver la fenêtre de couleur verte.

En fin d’acquisition : Transfert des données sur Régressi®

Cliquez sur l’icône appropriée en haut de l’écran pour basculer vos données sur Régressi®

.

PRINT

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MATERIEL

DATES :

TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6

Salle info ORDI + ORPHY

Matériel à installer :

- installer le conductimètre + agitateur + cellule conductimétrique dans l’eau distillée.

- relier par un câble le conductimètre à l’entrée C du l’interface ORPHY

Régler les conductimètres :

Mode conductivité

Gamme à fixer 4mS en conductance, valider avec :

Unité s/m……… valider

% du signal…….. valider

Mesure autoread NON

Sample pour lire la valeur de la conductivité.

Solution à préparer :

- Solution de chlorure de tertiobutyle (2-chloro-2- méthylpropane) dans l’acétone S1 (5mL de tBuCl dans

500mL d’acétone) pour 2 classes

Au bureau :

- solution S1 + bécher de service

- acétone + bécher de service

- 2 cannes magnétiques

Sur les paillasses :

nbr volume Matériel/solutions fait

1 100 mL Eprouvette graduée

1 10 mL Eprouvette graduée

2 250 mL béchers

2 100 mL béchers

1 Bécher plastique

1 Pissette d’eau distillée

1 Conductimètre + cellule

1 Agitateur magnétique + barreau aimanté

2 Papier absorbant pour les cellules conductimétriques +

coupelle

Au fond de la salle :

Un bidon de récupération : eau + acétone

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