Evolution temporelle d'un système chimique

ACTIVITES

A1 : Influence de la concentration, de la température et du solvant.

Problématique : Comment mettre en évidence l'influence des paramètres "concentration, température, solvant" sur la rapidité de la transformation ?

Doc 1 : Réaction

L'ion thiosulfate $S_2O^{2-}_3$ , oxydant du couple $S_2O^{2-}_{3(aq)} / S_{(s)}$ réagit avec l'ion thiosulfate $S_2O^{2-}_3$, réducteur du couple $SO_{2(g)} / S_2O^{2-}_{3(aq)}$

Au cours de la réaction, le milieu réactionnel s'opacifie.

Doc2 : Produits et matériel

• Solution de thiosulfate de sodium

$\left ( 2Na^{+}_{(aq)} ; S_2O^{2-}_{3(aq)} \right ) $ à la concentration

c₀ = 0,20 mol.L^-1.

• Solution d'acide chlorhydrique

$\left ( H_{3}O^{+}_{(aq)} ; Cl^{-}_{(aq)} \right ) $ à la concentration

c_a = 0,10 mol.L^-1.

• Acétone

• Eau distillée

• Verrerie

• Plaque chauffante

• Glace

• Chronomètre

• Agitateur magnétique

• Thermomètre

• Feuille de papier marquée d'une croix.

Doc 3 : Protocole.

	Exp1	Exp2	Exp3	Exp4	Exp5	Exp6	Exp7	Exp8
V_Thio	50 mL	40 mL	30 mL	20 mL	10 mL	30 mL	30 mL	30 mL
V_Solvant	0 mL eau	10 mL eau	20 mL eau	30 mL eau	40 mL eau	20 mL acétone	20 mL eau	20 mL eau
T(°C)	Ambiante	Ambiante	Ambiante	Ambiante	Ambiante	Ambiante	Froide	Chaude
$\left [ S_2O^{2-}_{3(aq)} \right ]_{initiale} $
Δt(s)

• Ecrire la réaction d'oxydoréduction décrite dans le doc 1.

• Quelle est l'espèce responsable de l'opacification du milieu réactionnel ?

• En observant la réaction précédente, justifier la nécessité de l'acide chlorhydrique dans les produits.

• Compléter la ligne $\left [ S_2O^{2-}_{3(aq)} \right ]_{initiale} $ du tableau précédent.

• Mettre en œuvre le protocole du doc 3 et compléter la ligne Δt (s), correspondant au temps nécessaire à la disparition totale de la croix dessinée sur le papier.

• Conclure.

A2 : La catalyse.

Qu'est-ce qu'un catalyseur ?

Quels sont les différents types de catalyse ?

Doc 1 : Catalyseur, catalyse.

• Un catalyseur est une substance permettant d'accélérer l'évolution d'une réaction chimique.

Au cours de cette réaction, il est consommé, puis régénéré, de telle sorte qu'il n'apparaît pas dans le bilan réactionnel.

$ aA+bB \xrightarrow {catalyseur} cC+dD $

• La catalyse est dite :

Homogène si les réactifs et le catalyseur sont dans le même état.
Hétérogène sinon.
Enzymatique si le catalyseur est une enzyme.

• Visionner l'animation catalyse :

Doc 3 : Protocole.

• L'eau oxygéné réagit sur elle-même (dismutation) selon la réaction :

$ 2H_{2}O_{2(l)} \longrightarrow 2H_2O_{(l)} + O_{2(g)}$.

• Dans 4 tubes à essais, verser quelques cm d'eau oxygénée.

• Compléter les tubes selon :

Tube	Ajouter
1	rien
2	Quelques gouttes de sulfate de fer II $\left ( Fe^{2+}_{(aq)} ; SO^{2-}_{4(aq)} \right ) $
3	Un fil de platine
4	Un morceau de navet

Doc2 : La catalase

La catalase est une enzyme qui catalyse la dismutation de l'eau oxygénée.

On en trouve dans le navet, le radis, les levures ou dans le foie des animaux.

Doc 4 : L'eau oxygénée.

L'eau oxygénée est couramment utilisée en tant que désinfectant ou décolorant.

C'est une solution de peroxyde d'hydrogène H₂O₂. C'est une solution instable.

Composition :

Eau oxygénée stabilisée à 30 volumes. Contient environ 9% en poids de peroxyde d'hydrogène. Susceptible de dégager environ 30 fois son volume en dioxygène gazeux.

Utilisations :

Décolorant puissant, à manipuler avec précaution et sur conseil de votre pharmacien.

Précautions d'emploi :

Manipuler avec précaution.

Ne pas utiliser sur une plaie ou comme produit d'hygiène buccale.

Porter des gants appropriés.

Eviter le contact avec les yeux.

Conserver à l'abri de la chaleur.

Péremption : 15 Août 1969.

• Pourquoi le flacon comporte-t-il une date de péremption ?

• Quel est le rôle du tube 1 ? Qu'y observe-t-on ? Pourquoi ?

• Qualifier les différents produits ajoutés.

• Dans le tube 2, où se situe le dégagement gazeux ? Pourquoi ?

• Dans les tubes 3 et 4, où se situe le dégagement gazeux ? Pourquoi ?

A3 : Suivi spectrophotométrique et cinétique.

Doc 1 : Réaction.

Le peroxyde d'hydrogène incolore est un oxydant utilisé pour la désinfection des plaies.

En milieu acide, il réagit avec les ions iodure.

Les deux espèces appartiennent aux couples d'oxydoréduction : $H_2O_{2(aq)} / H_2O_{(l)} $ et .$I_{2(aq)} / I^{-}_{(aq)} $

Doc3 : spectrophotomètre

Le spectrophotomètre permet de mesurer l'absorbance d'une espèce chimique dans une gamme de longueur d'onde donnée.

ici, nous utilisons un appareil ne mesurant les absorbances dans le domaine du visible

[380 ; 800 ] nm

Doc 5 : Mesures.

· On introduit dans un bécher, un volume

V₁ = 10,0 mL d'une solution de peroxyde d'hydrogène à la concentration c₁ = 3,2.10^-1 mol/L

· On ajoute dans ce bécher un volume

V₂ =10,0 mL d'une solution acidifiée d'iodure de potassium

$\left ( K^{+}_{(aq)} ; I^{-}_{(aq)} \right ) $à la concentration c₂ = 2,8.10^-1 mol/L.

· Sur une durée de 15 minutes, toutes les minutes, en introduisant un petit volume on a mesuré l'absorbance du milieu réactionnel.

t	0	1	2	3	4	5
A	0,58	0,51	0,44	0,39	0,34	0,29

t	6	7	8	9	10	11
A	0,25	0,22	0,19	0,17	0,15	0,13

t	12	13	14	15
A	0,11	0,10	0,08	0,07

Doc2 : Absorbance du diiode I2.

Doc 4 : Etalonnage.

L'absorbance A est proportionnelle à la concentration d'une espèce colorée (Loi de Beer-Lambert) : $A= k \times C $.

A partir d'une solution mère aqueuse de diiode à la concentration c₀ = 1,5.10^-1 mol.L^-1, on a réalisé six solutions étalons en introduisant un volume V_I2 de la solution mère en complétant à 100 mL avec de l'eau distillée. On a ensuite mesuré leurs absorbances A :

N°	1	2	3	4	5	6
V_I2	0,0	2,0	4,0	6,0	8,0	10,0
c_i
A	0,0	0,15	0,26	0,39	0,50	0,61

Doc 5 : Vitesse de réaction.

Pour une réaction $ aA +bB \longrightarrow cC+dD $ , la vitesse volumique de la réaction est définie par :

$ v= -\frac {1}{a} \times \frac {d [A]}{dt}= -\frac {1}{b} \times \frac {d [B]}{dt}= \frac {1}{c} \times \frac {d [C]}{dt}= \frac {1}{d} \times \frac {d [D]}{dt}$

• Ecrire la réaction chimique support de cette étude.

• Pourquoi ne donne-t-on que la courbe de l'absorbance du diiode ? Conclure expérimentalement.

• Compléter la ligne c_i du Doc 4, et écrire la relation de l'absorbance en fonction de la concentration en diiode $\left [ I_{2(aq)} \right] $.

• Compléter la dernière partie du programme Python fournie afin de faire apparaître l'évolution temporelle de la concentration en diiode, ainsi que sa variation temporelle. Tester.

from matplotlib import*

from numpy import*

from pylab import *

########Données expérimentales#########

#######################################

########Etalonnage#########

Abeer=[] #######absorbance étalonnage######

Cbeer=[] #######concentration étalonnage######

kbeer=[] #######coefficient de proportionnalité étalonnage######

abs1=[] #######abscisses étalonnage######

ord1=[] #######ordonnées étalonnage######

t=[] #######temps######

A=[] #######absorbance######

C=[] #######Concentration en I2 pour l'évolution temporelle######

abs2=[] #######abscisses temps######

ord2=[] #######ordonnées C temps######

v=[0] #######ordonnées vitesse temps######

########Beer-Lambert#########

abs1=linspace(0,max(Cbeer),len(Cbeer)*100)

ord1=linspace(0,max(Abeer),len(Abeer)*100) #######échelles coordonnées pour l'absorbance######

plt.plot(Cbeer,Abeer,color="blue",label="A=f(c)") #######tracé de l'absorbance mesurée######

for i in range(1,len(abs1)):

k=ord1[i]/abs1[i]

kbeer.append(k)

coefbeer=sum(kbeer)/len(kbeer) #######calcul du coef######

print('Abeer= ',coefbeer,'x Cbeer')

a='Abeer=%f'%round(coefbeer,2) #######écriture de la relation sur le graphique######

plt.plot(abs1,ord1,color="red",label=a+'xc') #######tracé de l'absorbance évaluée par Beer-Lambert######

plt.title("Etalonnage") #######affichage######

plt.legend(loc="upper right")

plt.xlabel("Concentration")

plt.ylabel("Absorbance")

plt.grid()

plt.show()

########Evolution temporelle de l'absorbance#########

plt.plot(t,A,color="red",label='Aborbance mesurée') #######tracé de l'absorbance temporelle mesurée######

abs2=linspace(0,max(t),len(t)*100) #######échelles temps######

ord2=A[0]*exp(-log(2)*abs2/5) #######calculs des absorbances correspondantes######

plt.plot(abs2,ord2,color="blue",label="A=f(t)") #######tracé de l'absorbance temporelle calculée######

plt.title("Evolution temporelle de l'absorbance") #######affichage######

plt.legend(loc="upper right")

plt.xlabel("temps")

plt.ylabel("Absorbance")

plt.grid()

plt.show()

########Evolution temporelle de la concentration en I2#########

#######Calcul de [I2] en utilisant Beer-Lambert######

#######tracé de[I2]=f(t)######

#######calcul de la vitesse######

#######tracé dev ([I2])=f(t)######

#######affichage######

A4 : Formalisme de la flèche courbe.

Modéliser les transferts électroniques lors d'une transformation chimique.

Doc1 : Sites donneurs et accepteurs de doublets électroniques.

· Un site donneur de doublets électronique est un lieu riche ou excédentaire en électrons :

atome portant une charge entière ou partielle δ- négative.
un doublet non liant.
liaison double ou multiple.

· Un site accepteur de doublets d'électrons est un lieur pauvre ou déficitaire en électrons :

atome portant une charge entière ou partielle δ + positive.

Doc3 : Animations.

Une transformation chimique peut être décomposée au niveau microscopique en plusieurs étapes lors desquelles ont lieu des transferts électroniques.

La flèche courbe modélise ces transferts élémentaires.

· Elle part d'un site donneur de doublet électronique.

· Elle pointe vers un site accepteur de doublet d'électrons.

Visualiser la vidéo flechecourbe.mp4 ci-dessous

Doc 2 : Vocabulaire.

· Lacune électronique :

doublet d'électrons manquant, représenté par un rectangle vide sur le schéma de Lewis.

· Charge partielle :

excédent de de charge électrique apparaissant sur un atome lorsqu'il est engagé dans une liaison covalente polarisée.

Doc 4 : Réaction élémentaires.

1a. Dans les réactions ? et ? localiser les sites donneurs et accepteurs de doublets d'électrons. Justifier en représentant les lacunes éléctroniques manquantes le cas échéant.

1b. Représenter par une flèche courbe les transferts de doublets d'électrons sur ces deux équations et identifier les nouvelles liaisons formées.

2a. Dans l'équation ?, justifier le sens de la flèche ? .

Donnée : χ(O) > χ(Cl) > χ(N) > χ(C) ≈ χ(H)

2b. Quel serait le produit issu de la seule flèche ??

2c. Pourquoi représente-t-on deux flèches courbes sur cette étape élémentaire ?

3a. Représenter la flèche courbe sur l'équation ?.

3b. Comment l'expliquer ?

4. Expliquer en une dizaine de lignes le formalisme des flèche courbe.

Exercices : 12 ; 13 ; 16 ; 17 ; 18 ; 19 ; 20 ; 21 ; (22) ; 24 ; 26 ; 28 ; 29 ; 31 ; 34 ; 38 P99 à 108.

COURS

C1 : Modélisation macroscopique.

C11. Transformations, facteurs cinétiques.

Une transformation chimique est dite lente si on peut suivre son évolution à l'œil nu ou à l'aide d'un appareil de mesure permettant de suivre l'évolution d'une grandeur chimique du milieu à l'aide d'un appareil de mesure courant (spectrophotomètre, pH-mètre, conductimètre…).

Pour suivre l’évolution d'un système, on choisira un capteur qui permet de mesurer une grandeur reliée à la quantité de matière d'une des espèces chimiques du milieu.

Une transformation chimique est dite rapide, si sa durée ne dépasse pas la durée de la persistance rétinienne soit 1/100^ème de seconde.

transformation rapide entre les ions iodure et les ions plomb.

C12. Catalyse, catalyseur.

Un catalyseur est une espèce chimique, différente des réactifs, dont la présence diminue la durée de réaction.

Le catalyseur interagit toujours avec les réactifs, mais il est intégralement restitué en fin de réaction : il n'apparaît donc pas dans l'équation bilan et il est réutilisé sans s'altérer.

Evolution temporelle d'un même système chimique :

Sans catalyseur (bleu)

Avec catalyseur (vert)

C13. Transformations, facteurs cinétiques.

Catalyse homogène :

Le catalyseur et les réactifs forment un mélange homogène.

Ils sont dans le même état dans le milieu réactionnel.

Catalyse hétérogène :

Le catalyseur et les réactifs forment un mélange hétérogène.

Ils ne sont pas dans le même état.

Catalyse enzymatique:

Le réactif appelé substrat se fixe sur l'enzyme pour y être transformé.

Le catalyseur est une enzyme qui se retrouve intacte en fin de réaction.

Sa structure spatiale facilite la rencontre des réactifs.

C2. Suivi temporel

C21. Vitesse volumique.

On étudiera des transformations qui se passent dans un milieu de volume constant.

- La vitesse volumique d'apparition d'un produit est définie par :

$v_{produit} = \dfrac {d \left [ Produit \right ] }{dt}$

[Produit] : concentration du produit en mol/L.

t : temps en secondes.

v : vitesse en mol.L^-1.s^-1

- La vitesse volumique de disparition d'un réactif est définie par :

$v_{réactif} = - \frac {d \left [ Réactif \right ]}{dt} $

[Réactif] : concentration du réactif en mol/L.

t : temps en secondes.

v : vitesse en mol.L^-1.s^-1

Le coefficient directeur de la tangente (vitesse) diminue avec le temps.

La quantité de matière du réactif diminue avec le temps.

C22. Temps de demi-réaction.

Le temps de demi-réaction t_1/2 est le temps au bout duquel l'avancement vaut la moitié de l'avancement final.

Il permet d'évaluer la durée caractéristique de la réaction.

C23. Loi de vitesse d'ordre 1.

Une réaction lente est dite d'ordre 1 par rapport à un réactif A si la vitesse de disparition (ou d'apparition pour un produit) est proportionnelle à sa concentration.

C3. Modélisation microscopique.

C31. Mécanisme réactionnel.

A l'échelle moléculaire, une réaction chimique peut être décomposée en étapes élémentaires. L'ensemble de ces étapes constitue le mécanisme réactionnel. Exemple : transformation d'un alcool en alcène catalysée par l'ion H⁺.

Etape 1 :
Etape 2 :
Etape 3 :

C32. Formalisme de la flèche courbe.

- Lors des étapes élémentaires, la formation et/ou la rupture d'une liaison s'explique par le déplacement d'un ou de plusieurs doublets électrons. Ce déplacement est modélisé par une flèche courbe.

- Un site donneur de doublet d'électrons est un site de forte densité électronique.

- Un site accepteur de doublet d'électrons est un site à faible densité d'électrons.

- Le déplacement de doublets lors d'une étape est modélisé par une flèche courbe qui part d'un site donneur et pointe vers un site accepteur.

Exemples :

Sites donneurs :

Sites accepteurs :

C33. Interprétation microscopique des facteurs cinétiques.

• Un choc entre deux entités réactives est efficace s'il entraîne une modification des liaisons chimiques de ces deux entités.

• Lorsque la température augmente, l'agitation thermique augmente et ainsi, les chocs entre molécules deviennent plus violents. Ils sont donc plus efficaces.

• De même, lorsque la concentration des réactifs est plus élevée, il y a plus d'entités par unité de volume. Les chocs deviennent plus probables et donc plus efficaces.

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