Aurélie 09/02

transformations lentes ou rapides




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L'ammoniac de format NH3 , est l'une des espèces chimiques les plus importantes industriellement. Il sert en effet à préparer des nettoyants ménagers, des engrais, des explosifs, des fibres textiles (par exemple, le nylon) …. Sa synthèse se fait en phase gazeuse à partir de diazote et de dihydrogène, à une température de 450 °C environ.

  1. Ecrire l'équation de la réaction.
  2. Pourquoi opère t on à une température élevée ?
  3. On peut étudier en laboratoire cette réaction en fermant un mélange de diazote et de dihydrogène dans un récipient muni d'un manomètre.Qu'est ce qu'un manomètre ? Comment évolue la pression du mélange au fur et à mesure que la réaction se produit, la température du réacteur restant constante ?
  4. Si l'on part d'un mélange de 25 moles de diazote et 75 moles de dihydrogène, quelle quantité de matière d'ammoniac peut on théoriquement obtenir ?
    - Expérimentalement, on n'en obtient que 22 moles. Calculer le rendement de la réaction.

corrigé
3H2 + N2 = 2NH3.

la température est un facteur cinétique : la vitesse de la réaction augmente.

Le manomètre permet la mesure de la pression du mélange gazeux.

volume du réacteur et température constantes, comment évolue le nombre de moles ?

3H2
+ N2
= 2NH3
initial
75
25
0
en cours
75-3x
25-x
2x
final
0
0
50 mol
à la date t : 75-3x + 25-x+2x = 100-2x mol

or PV = nRT, si la quantité de matière en moles diminue alors la pression diminue.

rendement 22 / 50 = 44%.


.
.

On souhaite préparer une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium, de concentration cb=0,10 mol/L, à partir d'une solution S1, de concentration c1 environ égale à 1,1 mol/L. On dilue S1, pour obtenir une solution S2 de volume V2=500 mL, dix fois moins concentrée que S1.

  1. Préciser le matériel nécessaire pour effectuer cette dilution dans les meilleures conditions de sécurité, en indiquant la suite logique des opérations à effectuer.
    - Quelle est alors la concentration c2 de la solution S2 ?
  2. Pour vérifier la valeur de c2, on prélève un volume Vb=10,0 cm3 de la solution S2, que l'on titre par une solution aqueuse d'acide chlorhydrique, de concentration ca=0,100 mol/L, en présence de bleu de bromothymol. Le virage de l'indicateur coloré à lieu pour un volume équivalent Véquiv=12,5 cm3 de la solution d'acide versé.
    - Faire un schéma du dispositif utilisé au cours du titrage, en nommant les instructions de verrerie.
    - Ecrire l'équation chimique de la réaction du titrage.
    - Déduire de la mesure de Véquiv la valeur de la concentration c2 de la solution S2.
  3. A partir de la solution S2, on prépare un volume V=250 cm3 de solution S d'hydroxyde de sodium, de concentration cb=0,10 mol/L, dans une fiole jaugée de contenance 250 mL. Quel volume v'b de S2 doit on utiliser ?

 


corrigé
facteur de dilution = 10 ; volume de la fiole jaugée = 500 mL, donc :

prélever 50 mL de la solution mère à l'aide d'une pipette de 50 mL + pipeteur

placer dans la fiole jaugée et compléter avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge.

porter des lunettes de protection

c2 = 0,11 mol/L.


acide chlorhydrique de concentration connue dans la burette

10 mL solution S2 à doser dans le bécher ou dans un erlenmeyer + indicateur coloré

agitateur magnétique

H3O+ + HO- --> 2H2O

à l'équivalence du dosage d'un monoacide par une monobase : Ca Véqui = CbVb

soit Cb = 0,1*12,5 / 10 = 0,125 mol/L.


facteur de dilution = 0,125/0,1=1,25 ; volume de la fiole jaugée = 250 mL, donc :

prélever 250/1,25 = 200 mL de la solution S2 à l'aide d'une pipette ou d'une burette graduée

placer dans la fiole jaugée et compléter avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge.





Le zinc réagit avec l'acide chlorhydrique : les produits de la réaction sont les ions Zn2+ et du dihydrogène.

  1. Ecrire l'équation chimique de la réaction.
    - Quel couples oxydant / réducteur fait elle intervenir ?
  2. On plonge un petit morceau de zinc dans l'acide chlorhydrique et on étudie la cinétique de la réaction en mesurant, à l'aide d'une éprouvette graduée, le volume de dihydrogène produit au cours du temps, on obtient les résultats suivants :
    t (min)
    0
    1
    2
    3
    4
    5
    V H2(mL)
    0
    6,3
    9,9
    12
    13,5
    14,5
    - Justifier que la technique de mesure utilisée est bien adaptée au suivi cinétique de la réaction.
    - Tracer le graphe représentant la quantité de matière de dihydrogène formée en fonction du temps, sachant que le volume molaire dans les conditions de l'expérience est de 24 L/mol.
    - Si on faisait la même expérience avec l'acide moins concentré, faudrait il plus ou moins de deux minutes pour recueillir 9,9 mL de dihydrogène ?
    - Le volume de gaz produit au bout d'un temps très long sera-t-il le même pour les deux expériences.
  3. On utilise deux systèmes initiaux de compositions identiques, à la même température, avec dans un cas du zinc en poudre et dans l'autre cas du zinc en grenaille.
    - On observe que le dégagement gazeux est plus important dans le système où le zinc est à l'état de poudre. Sachant que la réaction a lieu à la surface du métal, proposer une interprétation.
    - Le volume gazeux obtenu à l'état final est il le même dans les deux cas ? Pourquoi ?

 


corrigé
couples redox Zn/Zn2+ et H+/H2.

Zn + 2H+-->Zn2+ +H2.

t (min)
0
1
2
3
4
5
V H2(mL)
0
6,3
9,9
12
13,5
14,5
n H2(mmoL)= V/24
0
0,262
0,412
0,5
0,562
0,604
la réaction étant relativement lente il est possible de mesurer le volume du gaz sur une cuve à eau : H2 insoluble dans l'eau.

la concentration des réactifs est un facteur cinétique : la vitesse de la réaction augmente avec leur concentration.

si l'acide est moins concentré il faudra plus de deux minutes pour recueillir 9,9 mL de gaz.

Si le zinc est le réactif limitant, alors le volume de gaz obtenu sera le même

si l'acide moins concentré est le réactif limitant, le volume de gaz sera plus faible.

la réaction chimique se fait à la surface du métal : plus celle-ci est grande ( solide en poudre) , plus la vitesse de la réaction est importante. L'état final sera plus rapidement atteint.

Par contre l'état final sera identique, si les quantités initiales de réactifs sont les mêmes.



On étudie la transformation lente de réduction des ions peroxodisulfate S2O82- (aq) par les ions iodure I- (aq). Ces deux réactifs appartiennent aux couples oxydant / réducteur S2O82- (aq) / SO42- (aq) et I2(aq)/ I-(aq)

  1. Ecrire l'équation chimique de la réaction.
  2. On mélange 10 mL d'une solution aqueuse de peroxodisulfate de sodium [S2O82- ] = 1,0 10-2 mol/L et 10 mL d'une solution aqueuse d'iodure de calcium, on concentration molaire en ions iodure [ I-] = 0,01 mol/L. Effectuer un bilan de matière à l'état final.
  3. On renouvelle l'expérience avec 10 mL d'une solution aqueuse dont la soluté est du peroxodisulfate de sodium, Na2S2O8 (s) de concentration massique cm=2,38g/L, et 10 mL d'une solution aqueuse dont le soluté est de l'iodure de calcium, Cal2 (s), de concentration massique c'm = 2,94 g/L. La température du système est la même que précédemment.
    - Effectuer un bilan de matière à l'état final.
    - Pour quelle valeur de l'avancement ce système se trouve t il dans le même état que l'état final du système précédemment étudié ?
    - Lequel des deux systèmes atteint cet état le plus rapidement ?
  4. Sachant que le diiode est une espèce colorée en solution aqueuse, proposer une méthode de suivi temporel de la transformation.

Masses molaires atomiques M(Na)=23g/mol M(S)=32,1 g/mol M(O)=16g/mol M(Ca)=40 ,1 g/mol M(I)=126,9 g/mol

 


corrigé
S2O82- + 2I--->2SO42- + I2

S2O82-
+ 2I-
2SO42-
I2
initial
10-4 mol
10-4 mol
0
0
en cours
10-4 -x
10-4 -2x
2x
x
fin
5 10-5 mol
0
10-4 mol
5 10-5 mol
dans le cas des solides : concentration massique (g/L) / masse molaire (g/mol) * volume (L)= Qté de matière (mol)

Ca I2(s) --> Ca2+ + 2I-.

donc nI- = 2 *2,94/294*0,01 =


S2O82-
+ 2I-
2SO42-
I2
initial
10-4 mol
2 10-4 mol
0
0
en cours
10-4 -x
2 10-4 -2x
2x
x
fin
0
0
2 10-4 mol
10-4 mol
ce second système atteint l'état final du premier système ( exception faite de l'ion iodure)

lorsque l'avancement vaut x= 5 10-5 mol.

la vitesse de la réaction est plus grande si la concentration des réactifs est plus importante: le second système atteint cet état le plus rapidement.

le suivi de l'évolution de la réaction peut être effectué par spectrophotométrie : suivi de l'évolution de la couleur brune du diiode.



à suivre ...

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