Chim. N° 12

La Catalyse :

Exercices.

Correction.

 

   

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Programme 2012 :

Temps et évolution chimique : Cinétique et catalyse.

Programme 2012 : Physique et Chimie

Pour aller plus loin : 

Mots clés :

Catalyse ; catalyse homogène ; catalyse hétérogène  ;

La catalyse enzymatique ; sélectivité d'un catalyseur ; ...

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I - Exercice 14 page 302.

II -Exercice 18 page 302.

III - Exercice 21 page 305.

IV - Exercice 23 page 306.

V - Exercice 29 page 306.

 

I- exercice 14 page 302.

1)- Les couples qui interviennent :

-  Potentiels d’oxydoréduction des différents couples : OX / Red :

-  S2O82 (aq)  / SO42 (aq)   ; E01 = 2,01 V

-  I2 (aq) / I (aq)   ; E 02 = 0,54 V 

-  Les réactifs sont les ions iodure et les ions peroxodisulfate.

-  Les ions peroxodisulfate (oxydant du couple S2O82 (aq)  / SO42 (aq) ) sont réduits et les ions iodure (réducteur du couple  I2 (aq) / I (aq)) sont oxydés.

 

2)- Équation de la réaction (1).

        S2O82 – (aq)    +     2 e     =   2 SO42 – (aq)  

                           2 I (aq)           =          I2 (aq)    +   2 e

 S2O82 (aq)    +    2 I (aq)             2 SO42 (aq)    +  I2 (aq)  (1)

 

-  La réaction est quasi-totale mais lente à la température ambiante.

3)- La catalyse :

-  Réaction 2 : 

  2 Fe 3+(aq)     +         2 I (aq)                     I2 (aq)    +   2 Fe 2+(aq) 

 

-  Réaction 3 :

    2 Fe 2+(aq)     +         S2O82 (aq)                2 Fe 3+(aq)      +   2 SO42 (aq)

 

-  L’association des réactions (2) et (3) donne la réaction (1).

  2 Fe 3 +(aq)     +         2 I (aq)               I2 (aq)    +   2 Fe 2 +(aq) 

 2 Fe 2+(aq)     +         S2O82 (aq)                2 Fe 3+(aq)      +   2 SO42 (aq)


        S2O82 (aq)    +    2 I (aq)             2 SO42 (aq)    +  I2 (aq)  (1)

 

-  On s’aperçoit que les ions fer III participent aux réactions intermédiaires mais sont régénérés en fin de réaction. 

-  Ils n’apparaissent pas dans le bilan de la réaction (1). Ils catalysent la réaction (1).

-  On remplace une réaction lente par deux réactions rapides.

C’est le couple : Fe 3+ /  Fe 2+ qui intervient.

-  Définition d’un catalyseur : 

Un catalyseur est une substance qui accélère une réaction sans entrer dans le bilan de la réaction et sans modifier l’état final du système.

 

-  Ici, on a remplacé une réaction lente par deux réactions rapides.

-  Les ions fer II ont participé aux réactions 1 et 2, mais ils n’interviennent pas dans le bilan global de la réaction.

-  Ils ont été régénérés en fin de réaction.

-  On dit que les ions fer II ont catalysé la réaction entre les ions peroxodisulfate et les ions iodure.

-  Ils ont accéléré la réaction : l’ion fer II est un catalyseur de la réaction.

-  Remarque : on peut aussi catalyser cette réaction avec les ions fer III.

 

4)- Expériences :

Expérience 1 :

-  bécher A contenant 25 mL de solution aqueuse d’iodure de potassium.

-  À l’instant t = 0, on verse 25 mL d’une solution de peroxodisulfate de potassium de concentration C = 0,10 mol / L.

-  bécher B contenant 25 mL de solution aqueuse d’iodure de potassium.

-  À l’instant t = 0, on verse 25 mL d’une solution de peroxodisulfate de potassium de concentration C = 0,10 mol / L

-  et 10 gouttes d’une solution de chlorure de fer III de concentration C =  1,0 mol / L.

-  bécher C contenant 25 mL de solution aqueuse d’iodure de potassium.

-  À l’instant t = 0, on verse 25 mL d’une solution de peroxodisulfate de potassium de concentration C = 0,10 mol / L

-  et 20 gouttes d’une solution de chlorure de fer III de concentration C =  1,0 mol / L.

-  On observe l’évolution au cours du temps des différents mélanges réactionnels et on tire les conclusions.

 

 

 

II- Exercice 18 page 302.

1)- La 2, 4 – DNPH permet de mettre en évidence la présence du groupe carbonyle  commun aux aldéhydes et aux cétones.

-  Le réactif de SCHIFF permet d’identifier le groupe aldéhyde .

2)- Les réactions :

-  Déshydratation de l’éthanol :

 

 

 

Al2O3

 

 

 

C2H5OH

 

 

=

CH2 = CH2

+

  H2O

Ethanol

400 ° C

Ethène

 

-  Déshydrogénation de l’éthanol : 

 

 

 

Cu

 

 

 

  C2H5OH

 

 

=

CH3CHO

+

  H2

Ethanol

280 ° C

 Ethanal

 

 

 

 

 

Cu

 

 

 

CH3 CH2 OH

=

CH 3

 C 

H

  +  

H2

 

 280 ° C

| |

 

O

Ethanol

 

Ethanal

 

3)- Ces deux transformations mettent en évidence la sélectivités des catalyseurs.

 

 

 

III- Exercice 21 page 305.

1)- L’uréase est une enzyme  qui catalyse la transformation de l’urée en carbonate d’ammonium.

2)- Vitesses de la réaction.

-  Par définition :

-  La vitesse volumique de réaction v (t) à la date t, est la dérivée par rapport au temps,

-  Du rapport entre l’avancement x de la réaction et le volume V du milieu réactionnel.

-  Relation :

-  avancement de la réaction :   x: mol

-  volume du milieu réactionnel : V: L

-  Vitesse volumique de réaction : v (t) : mol / L / s

-  Tableau d’avancement de la réaction :

Équation

NH2

C 

NH2

| |

O

+ 2 H2O (ℓ)

=

2 NH4+

+    CO32 – 

état

Avanc.

x (mol)

 

 

 

 

 

État initial (mol)

0

C0V = n 0

Excès

 

0

0

Au cours de la

transformation

x (t)

n0 x (t)

Excès

2 x (t)

x (t)

État final (mol)

xf

n0 xf

Excès

2 xf

xf

-  À chaque instant t, dans le mélange réactionnel, la quantité de matière d’urée restant est liée à  l’avancement temporel de la réaction par la relation : 

-  x (t) = n0 n

-   

-  Détermination graphique de la valeur de la vitesse à l’instant t.

-  La vitesse volumique de la réaction à la date t1 est égale à l’opposée de la valeur du coefficient directeur de la tangente à la courbe C au point M1 d’abscisse t 1.

-  On trace la tangente à la courbe à l’instant considéré. La valeur de la vitesse est égale à l’opposée de la valeur du coefficient directeur de cette tangente.

-  Valeur de la vitesse au temps t1 = 10 min.

-  

-  Valeur de la vitesse au temps t2 = 60 min.

-  La tangente est horizontale. La vitesse est nulle. La réaction est terminée.

-  

3)- Composition du mélange réactionnel à l’équilibre.

-  La réaction chimique est terminée au bout de 50 min environ.

-  Tableau d’avancement de la réaction :  considérons que l’on travaille avec un litre de solution

Équation

NH2

C 

NH2

| |

O

+ 2 H2O (ℓ)

=

2 NH4+

+    CO32 – 

état

Avanc.

x (mol)

 

 

 

 

 

État initial (mol)

0

C0 V = n0 = 1,0 mol

Excès

 

0

0

Au cours de la

transformation

x(t)

1,0 x (t)

Excès

2 x (t)

x (t)

État final (mol)

xf

1,0 xf = 0,32 mol

Excès

2 xf = 1,36 mol

xf = 0,68 mol

-  À l’équilibre, [Urée] 0,32 mol / L ; [NH4+] 1,36 mol / L et  [CO32 –] 0,68 mol / L

-  Taux d’avancement de la réaction :

τ

x f  

0,68  



68 %

x max 

1,0 

 

 

IV- Exercice 23 page 306. étude d’un produit d’entretien de lentille.

1)- Stabilité du peroxyde d’hydrogène.

a)- L’eau oxygénée peut subir une dismutation et jouer le rôle de réducteur et d’oxydant dans la même réaction :

H2O2  (aq)    +     H2O2  (aq)       =      O2  (g)    +  2 H2O (ℓ)

 

Dismutation

Réaction d'oxydoréduction au cours de laquelle

une espèce chimique joue à la fois le rôle d'oxydant

et de réducteur (ici l'eau oxygénée H2 O2 (aq))

H2 O2 (aq) / H2O ()  et le couple 2 : O2 (aq) / H2O2 (aq)

-  Les deux couples mise en jeu :

-  Couple 1 : H2O2  (aq) / 2 H2O (ℓ)

-  Couple 2  : O2  (g) / H2O2  (aq)

b)- La dismutation du peroxyde d’hydrogène produit du dioxygène qui réagit au fur et à mesure qu’il se forme.

-  C’est à cet instant qu’il est le plus réactif.

2)- Entretien des lentilles de contact.

-  Première phase :

le comprimé produit par dismutation du peroxyde d’hydrogène du dioxygène qui a des propriétés antiseptiques

et une action mécanique sur le nettoyage grâce à l’effervescence.

-  Seconde phase :

Le comprimé libère la catalase (après 20 min).

-  La catalase permet la décomposition rapide par catalyse du peroxyde d’hydrogène qui n’a pas réagit.

3)- Étude cinétique.

a)- Concentration de la solution après 20 min.

-  La lecture graphique indique que la concentration de la solution 2,1 %.

-  Comme : 2,1 % > 0,05 %, la solution est dangereuse pour les yeux.

Les lentilles ne peuvent pas être portées.

-  Concentration de la solution : 

La solution contient 2,1 g de H2O2  pour 100 mL de solution.

-  

b)- temps de demi-réaction :

-  Le temps de demi-réaction, noté t1/2, est  la durée au bout de laquelle l’avancement de la réaction est égal à la moitié de sa valeur finale.

-  En fin de réaction, le peroxyde d’hydrogène a totalement réagi.

Au bout de t1/2, la concentration en peroxyde d’hydrogène est de 1,5 %.

-  Par lecture graphique, t 1/2   24 min.

c)- Définition de la vitesse de réaction.

-  La vitesse volumique de réaction v (t) à la date t, est la dérivée par rapport au temps,

-  Du rapport entre l’avancement x de la réaction et le volume V du milieu réactionnel.

-  Relation :

-  avancement de la réaction :   x: mol

-  volume du milieu réactionnel : V: L

-  Vitesse volumique de réaction : v(t) : mol / L / s

H2O2  (aq)    +     H2O2  (aq)       =      O2  (g)    +  2 H2O (ℓ)

 

Équation

2 H2O2  (aq) 

=

O2  (g) 

2 H2O (ℓ)

état

Avanc.

x (mol)

 

 

 

 

État initial (mol)

0

C0 V = n0

 

0

Excès

Au cours de la

transformation

x (t)

n0 2 x (t)

x (t)

Excès

État final (mol)

xf

n 0 2 xf

xf

Excès

-  À chaque instant t, dans le mélange réactionnel, la quantité de matière de peroxyde d’hydrogène restant est liée à l’avancement temporel de la réaction par la relation :

-   .

- 

-  On peut déterminer les valeurs des vitesses par la méthode des tangentes.

Vitesse volumique :

-  La vitesse volumique de la réaction à la date t1 est égale à l’opposée de la moitié de la valeur du coefficient directeur de la tangente à la courbe C au point M1 d’abscisse t1.

-  On trace la tangente à la courbe à l’instant considéré.

- La valeur de la vitesse est égale à l’opposée  de la moitié de la valeur du coefficient directeur de cette tangente.

 

-  Vitesse à t1 = 10 min.

-  

-  

-  Vitesse à t1 = 30 min.

-  

-  

d)- à partir de t = 20 min, la catalase est libérée et de ce fait catalyse la réaction de dismutation du peroxyde d’hydrogène

et provoque une augmentation de la vitesse de la réaction.

 

 

 

V- Exercice 29 page 309.

1)- La réaction catalysée.

a)- Équation de la réaction.

-  L’eau oxygénée peut subir une dismutation et jouer le rôle de réducteur et d’oxydant dans la même réaction :

H2O2  (aq)    +     H2O2  (aq)       =      O2  (g)    +  2 H2O (ℓ)

-  Les deux couples mise en jeu :

-  Couple 1 : H 2 O 2  (aq) / 2 H2O (ℓ)

-  Couple 2  : O 2  (g) / H 2 O 2  (aq)

Dismutation

Réaction d'oxydoréduction au cours de laquelle

une espèce chimique joue à la fois le rôle d'oxydant

et de réducteur (ici l'eau oxygénée H2 O2 (aq))

H2 O2 (aq) / H2O ()  et le couple 2 : O2 (aq) / H2O2 (aq)

b)- Le catalyseur : Un catalyseur est une substance qui accélère une réaction sans entrer dans le bilan de la réaction et sans modifier l’état final du système.

2)- Influence de la quantité de catalyseur.

a)- Origine expérimentale de la différence.

-  Pour les groupes A et D, la quantité d’eau  ajoutée est sensiblement la même.

le groupe D a mis 5 fois plus de catalyseur.

b)- La vitesse de la réaction augmente avec la quantité de catalyseur ajouté.

3)- Étude cinétique.

a)- Les courbes : H2O2  = f (t)

b)- Résultats du groupe C.

-  Tableau de valeurs :

t s

CA  mol / L

CB  mol / L

CD  mol / L

CC  mol / L

0

0,09

0,090

0,090

0,090

10

0,0605

0,045

0,021

0,033

20

0,047

0,026

0,003

0,015

30

0,039

0,016

0,001

0,007

45

0,0295

0,008

0,000

0,003

60

0,025

0,005

0,000

0,002

  

c)- Vitesse à t = 20 min.

-  La vitesse volumique de réaction v (t) à la date t, est la dérivée par rapport au temps,

-  Du rapport entre l’avancement x de la réaction et le volume V du milieu réactionnel.

-  Relation :

-  avancement de la réaction :   x: mol

-  volume du milieu réactionnel : V: L

-  Vitesse volumique de réaction : v (t) : mol / L / s

Équation

2 H2O2  (aq) 

=

O2  (g) 

2 H2O (ℓ)

état

Avanc.

x (mol)

 

 

 

 

État initial (mol)

0

C0 V = n 0

 

0

Excès

Au cours de la

transformation

x (t)

n0 2 x (t)

x (t)

Excès

État final (mol)

xf

n0 2 xf

xf

Excès

 

-  À chaque instant t, dans le mélange réactionnel, la quantité de matière de peroxyde d’hydrogène restant est liée à l’avancement temporel de la réaction par la relation :

-   .

-  

-  On peut déterminer les valeurs des vitesses par la méthode des tangentes.

Vitesse volumique :

-  La vitesse volumique de la réaction à la date t1 est égale à l’opposée de la moitié de la valeur du coefficient directeur de la tangente à la courbe C au point M1 d’abscisse t1.

-  On trace la tangente à la courbe à l’instant considéré.

La valeur de la vitesse est égale à l’opposée de la moitié de la valeur du coefficient directeur de cette tangente.

-  

4)- Choix de la quantité de catalyseur.

a)- Comme on veut  que la réaction soit terminée en une heure, il faut utiliser le mélange correspondant à la courbe C.

b)- Le volume de solution catalytique est V2 = 3 mL.