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TP de Sciences Physiques nÀ14 Cinétique dÊune transformation chimique

Etude des facteurs cinétiques et des différents types de catalyse

Objectifs de la séance

Mettre en évidence les paramètres qui influencent la durée d’une transformation chimique. Etudier différents types de catalyse.

Compétences mises en œuvre

Les compétences mise en jeu sont « s’approprier » à travers la formulation d’hypothèses, puis « analyser » en proposant des protocoles permettant de les valider. La compétence « réaliser » est mobilisée lors de la mise en œuvre de ces protocoles, ainsi que dans l’étude de plusieurs types de catalyse. Enfin la compétence « communiquer » est mise en jeu lors d’une mise en commun avec la classe et lors de la rédaction d’un compte-rendu.

Introduction

Observons, dans deux béchers A et B, deux transformations mettant en jeu l’ion permanganate MnO 4 : dans le bécher A, nous avons initialement versé 10 mL d’une solution de sulfate de fer (II) de formule Fe 2+ (aq) + SO 4 2 (aq) de concentration 1,0.10

-2 mol.L

-1 . dans le bécher B, nous avons initialement versé 10 mL d’une solution d’acide oxalique de formule H 2 C 2 O 4(aq) de concentration 5,0.10

-1 mol.L

-1 . On ajoute ensuite simultanément dans chaque bécher, 5,0 mL d’une solution acidifiée de permanganate de potassium K + (aq) + MnO 4 (aq) de concentration 1,0.10

-3 mol.L

-1 , puis on agite. Observe et compare l’évolution des deux mélanges. Ecris les équations des réactions d’oxydoréduction qui se produisent dans les béchers A et B.

Couples mis en jeu : Fe 3+ (aq) / Fe 2+ (aq) ; MnO 4 (aq) / Mn 2+ (aq) ; CO 2(g) / H 2 C 2 O 4(aq) .

Laquelle de ces deux réactions est la plus rapide ? Quel critère permet de les classer ? Pourquoi dit-on que ces deux réactions ont des cinétiques différentes ?

I Etude de quelques facteurs cinétiques

On s’intéresse dans cette partie à une autre réaction chimique. L’ion thiosulfate S 2 O 3 2 se transforme progressivement en milieu acide selon la réaction d’équation : S 2 O 3 2 (aq) + 2 H 3 O + (aq) S (s) + SO 2(aq) + 3 H 2 O (l) Le soufre S (s) formé reste en suspension dans la solution et le mélange s’opacifie progressivement. L’appréciation de la rapidité d’évolution du système peut se faire en mesurant la durée ∆ t d nécessaire à la disparition visuelle d’une croix noire sur fond blanc placée sous le bécher et toujours observé par-dessus, dans les mêmes conditions. Formule des hypothèses pour répondre à la question suivante : « quels paramètres peuvent modifier la durée de la transformation ? » Propose des protocoles expérimentaux permettant de mettre en évidence l’influence de chacun de ses paramètres sur la rapidité de la réaction étudiée.

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Matériel et solutions disponibles :

-

une solution de thiosulfate de sodium (2 Na + (aq) , S 2 O 3 2 (aq) ) à 0,20 mol.L

-1

-

une solution d’acide chlorhydrique (H 3 O + (aq) + Cl (aq) ) à 0,10 mol.L

-1

-

trois béchers de 100 mL deux éprouvettes graduées différentes

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une plaque chauffante de la glace dans un cristallisoir des gants et des lunettes

-

un chronomètre

Après discussion avec le professeur, puis une éventuelle mise en commun avec l’ensemble de la classe, mettre en œuvre ces protocoles. Faire la synthèse des observations effectuées et conclure. Les paramètres qui modifient la durée d’une transformation chimique sont appelés « facteurs cinétiques ».

II Etude de différents types de catalyse

On se propose maintenant d’étudier l’influence de certaines espèces chimiques sur l’évolution d’une dernière réaction chimique : la décomposition du peroxyde d’hydrogène (présent dans l’eau oxygénée). L’équation de cette réaction se note : 2 H 2 O 2(aq) 1.

Manipulation et observation 2 H 2 O (l) + O 2(g) Prépare 4 tubes à essais remplis à moitié d’eau oxygénée à 10 volumes et numérote-les de 1 à 4. Le tube n°1 sera le tube témoin. Prépare un 5 ème tube rempli à moitié d’eau et de quelques millilitres de solution de chlorure de fer (III) de formule chimique (Fe 3+ (aq) + 3Cl (aq) ) à la concentration 0,20 mol.L

-1 . Ajoute, dans le tube à essais : n°2, un fil de platine. n°3, un morceau de radis écrasé, ou un morceau de foie, contenant une enzyme, la catalase. n°4, quelques millilitres de solution de chlorure de fer (III). Observe. 2.

Interprétation et conclusion Pourquoi observe-t-on une effervescence dans certains tubes ? Pourquoi n’observe-t-on pas ou peu d’effervescence dans le tube n°1 ? Quels sont les rôles du platine, de la catalase et des ions fer (III) dans le déroulement de la réaction dans les béchers n°2, n°3 et n°4 ? Les espèces introduites dans ces trois tubes sont appelés « catalyseurs ». Propose une définition pour chacun des termes suivants : catalyseur, réaction catalysée, catalyse hétérogène, catalyse homogène, catalyse enzymatique.

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