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Chapitre 4b Réaction chimique et dosage. Décrire lévolution dun système chimique.

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1 Chapitre 4b Réaction chimique et dosage

2 Décrire lévolution dun système chimique

3 Le système chimique rappel de 2° Décrire un système chimique, cest présenter : - la nature et létat physique des espèces : (s), (l), (g) ou (aq) - leurs quantités de matière - les conditions de température et de pression notées P et T

4 La réaction chimique rappel de 2° La transformation observable qui se produit au cours dune réaction chimique peut être modélisée par une équation de réaction qui respecte les lois de conservations des éléments et des charges.

5 Évolution du système Voici une réaction lente au cours de laquelle il se forme une molécule colorée jaune, le diiode. Il est visible que sa quantité et donc sa quantité de matière augmente progressivement dans le bécher en regardant la solution devenir jaune de plus en plus foncé. À partir de cette observation, il devient possible de définir un avancement de la réaction, noté x et sexprimant, comme la quantité de matière, en mol.

6 Comment faire ?

7 Exprimer les quantités de matière des réactifs en fonction de x La quantité initiale du réactif est donnée par les données de lénoncé : n i (R) Un réactif est une espèce chimique dont la quantité n(R) diminue au fur et à mesure que lavancement de la réaction augmente. Quantité de réactif = quantité initiale – quantité consommée Expression mathématique : n(R) = n i (R) - n c (R) Il est possible den déduire que la quantité de réactif consommé n c (R) est proportionnelle à lavancement x. Mais quel est ce coefficient de proportionnalité ?

8 Prenons un exemple simple : 2 H 2 (g) + 1 O 2 (g) 2 H 2 O(g) et observons les coefficients stœchiométriques des réactifs de léquation. Ils expriment que H 2 disparait deux fois plus vite que O 2 car le coefficient du premier est 2 tandis que celui du second est 1. Pour un avancement x = 1 mol, il a disparu 2 x 1 moles de H 2 et 1 x 1 mole de O 2 Expressions mathématiques : n c (H 2 ) = 2 x x = 2 x n c (O 2 ) = 1 x x = x Exprimer les quantités de matière des réactifs en fonction de x

9 Expressions mathématiques : n c (H 2 ) = 2 x x = 2 x n c (O 2 ) = 1 x x = x Adaptons lexpression mathématique de n(R) à chaque cas. n(R) = n i (R) - n c (R) va devenir : n(H 2 ) = n i (H 2 ) - n c (H 2 ) = n i (H 2 ) - 2 x n(O 2 ) = n i (O 2 ) - n c (O 2 ) = n i (O 2 ) - x La quantité de matière dun réactif sexprime en fonction : - de sa quantité de matière initiale ; - du produit de son coefficient stœchiométrique par lavancement de la réaction. Exprimer les quantités de matière des réactifs en fonction de x

10 Exprimer les quantités de matière des produits en fonction de x La quantité initiale du produit est nulle au début de la réaction : n i (P) = 0 Un produit est une espèce chimique dont la quantité n(P) augmente au fur et à mesure que lavancement de la réaction augmente. Quantité de produit = quantité initiale + quantité formée Expression mathématique : n(P) = n i (P) + n f (P) = n f (P) Il est possible den déduire que la quantité de réactif consommé n f (P) est proportionnelle à lavancement x. Mais quel est ce coefficient de proportionnalité ?

11 Reprenons lexemple simple : 2 H 2 (g) + 1 O 2 (g) 2 H 2 O(g) et observons le coefficient stœchiométrique du produit de léquation. Il exprime quil se forme autant d H 2 O quil disparait de H 2 et deux fois plus d H 2 O quil disparait de O 2 car, dans le 1 er cas, les coefficients sont égaux (2 et 2) tandis que, dans le second, 2 est le double de 1. Pour un avancement x = 1 mol, il sest formé 2 x 1 moles de H 2 O (pour 2 x 1 moles de H 2 et 1 x 1 mole de O 2 consommées) Expression mathématique : n f (H 2 O) = 2 x x = 2 x Exprimer les quantités de matière des produits en fonction de x

12 Expressions mathématiques : n f (H 2 O) = 2 x x = 2 x Adaptons lexpression mathématique de n(R) à chaque cas. n(P) = n i (P) - n f (P) va devenir : n(H 2 O) = n i (H 2 O) + n f (H 2 O) = 2 x car n i (H 2 O) = 0 La quantité de matière dun produit sexprime en fonction du produit de son coefficient stœchiométrique par lavancement de la réaction. Exprimer les quantités de matière des produits en fonction de x

13 Généralisons

14 Exprimer les quantités de matière en fonction de x Voici léquation quelconque dune réaction chimique : a A + b B c C + d D Activité 1 : Exprimez les quantités de matière des réactifs et produits en fonction de lavancement. n(R) = quantité initiale – quantité consommée n(A) = n i (A) – ax n(B) = n i (B) – bx n(P) = quantité initiale + quantité formée = quantité formée n(C) = n i (C) + cx = cx n(D) = n i (D) + dx = dxcar n i (C) = n i (D) = 0

15 Construire un tableau davancement

16 État initial E.I. a A + b B c C + d D Il définit les quantités initiales des réactifs et des produits : ni(A)ni(A) ni(B)ni(B) n i (C) = 0 n i (D) = 0 À cet instant, la réaction na pas commencé et lavancement de la réaction est nul : x = 0 mol Commençons à compléter le tableau davancement :

17 Compléter un tableau davancement Équation a A + b B c C + d D État du système Avancement de la réaction n(A)n(B)n(C)n(D) E.I. E.C.T. E.F. n i (D) = 0 ni(A)ni(A)ni(B)ni(B) n i (C) = 0 x = 0

18 En cours de transformation E.C.T a A + b B c C + d D Nous nous plaçons à un instant quelconque de lavancement x. n(A) = n i (A) – ax n(B) = n i (B) – bx n(C) = n i (C) + cx = cx n(D) = n i (D) + dx = dx Poursuivons le remplissage du tableau davancement

19 Compléter un tableau davancement Équation a A + b B c C + d D État du système Avancement de la réaction n(A)n(B)n(C)n(D) E.I. E.C.T. E.F. n i (D) = 0 ni(A)ni(A)ni(B)ni(B) n i (C) = 0 n i (A) – ax n i (B) – bx n i (C) + cx = cx n i (D) + dx = dx x x = 0

20 État final E.F. a A + b B c C + d D Nous nous plaçons à linstant où la réaction sarrête. Lavancement de la réaction prend la valeur de x max et chaque quantité de matière devient finale et sexprime en fonction de x max. n f (A) = n i (A) – ax max n f (B) = n i (B) – bx max n f (C) = n i (C) + cx max = cx max n f (D) = n i (D) + dx max = dx max Terminons le remplissage du tableau davancement

21 Compléter un tableau davancement Équation a A + b B c C + d D État du système Avancement de la réaction n(A)n(B)n(C)n(D) E.I. E.C.T. E.F. n i (D) = 0 ni(A)ni(A)ni(B)ni(B) n i (C) = 0 n(A) = n i (A) – ax n(B) = n i (B) – bx n(C) = n i (C) + cx = cx n(D) = n i (D) + dx = dx n f (A) = n i (A) – ax max x x = 0 n f (B) = n i (B) – bx max n f (C) = n i (C) + cx max = cx max n f (D) = n i (D) + dx max = dx max x max

22 Définir létat final

23 Quand une réaction sarrête-t-elle ? a A + b B c C + d D Il suffit que lun ou lautre des réactifs (ou les deux en même temps) ait complètement disparu. Cela signifie donc que leur quantité finale est nulle : n f (A) = n i (A) – ax max = 0 et/ou n f (B) = n i (B) – bx max = 0 Exploitons ces deux expressions lune après lautre :

24 Réactif limitant a A + b B c C + d D Si A est le réactif limitant, cest-à-dire celui dont la quantité sannule en premier, il est possible dexprimer la valeur de x max correspondante : n f (A) = n i (A) – ax max = 0 n i (A) = ax max x max = n i (A) / a Si B est le réactif limitant, il est possible dexprimer la valeur de x max correspondante : n f (B) = n i (B) – bx max = 0 n i (B) = bx max x max = n i (B) / b Que faire de ces deux valeurs de x max ?

25 Choisir la valeur de x max a A + b B c C + d D Deux cas : 1 er cas x max = n i (A) / a = n i (B) / b Pas de choix à faire. Les deux réactifs ont totalement disparu pour la même valeur de x max. Les conditions de la réaction sont dites stœchiométriques.

26 Choisir la valeur de x max a A + b B c C + d D 2 ème cas Si les deux valeurs sont différentes, cest la plus petite des deux qui correspond à la valeur maximale de lavancement. A est le réactif limitant si n i (A) / a < n i (B) / b x max = n i (A) / a B est le réactif limitant si n i (A) / a > n i (B) / b x max = n i (B) / b

27 Activité 2 : une quantité n i (C 3 H 8 ) = 2,3 mol de propane brûle dans le dioxygène en excès pour donner du dioxyde de carbone et de leau. 1) Ajustez léquation suivante en précisant les règles à suivre. C 3 H 8 + ___ O 2 ___ CO 2 + ___ H 2 O 2) Complétez le tableau davancement en fonction des grandeurs 3) Déterminez lavancement maximal de la réaction. Équation État du système Avancement de la réaction E.I. E.C.T. E.F.

28 Activité 2 : n i (C 3 H 8 ) = 2,3 mol 1) C 3 H O 2 3 CO H 2 O Lois de conservation des éléments et des charges. 3) Déterminez lavancement maximal de la réaction. 2) Équation C 3 H O 2 3 CO H 2 O État du système Avancement de la réaction n(C 3 H 8 )n(O 2 )n(CO 2 )n(H 2 O) E.I. E.C.T. E.F. n i (H 2 O) = 0 ni(C3H8)ni(C3H8)ni(O2)ni(O2) n i (CO 2 ) = 0 x = 0 n i (C 3 H 8 ) – x n i (O 2 ) – 5x n i (CO 2 )+ 3x = 3x n i (H 2 O)+ 4x = 4x x x max n f (C 3 H 8 ) = n i (C 3 H 8 ) – x max n f (O 2 ) = n i (O 2 ) – 5x max n f (CO 2 ) = n i (CO 2 ) + 3x max = 3x max n f (H 2 O) = n i (H 2 O) + 4x max = 4x max

29 Activité 2 : 3) O 2 est en excès, le propane est donc le réactif limitant et sa quantité finale est nulle : n f (C 3 H 8 ) = n i (C 3 H 8 ) – x max = 0 x max = n i (C 3 H 8 ) = 2,3 mol Équation C 3 H O 2 3 CO H 2 O État du système Avancement de la réaction n(C 3 H 8 )n(O 2 )n(CO 2 )n(H 2 O) E.F. x max n f (C 3 H 8 ) = n i (C 3 H 8 ) – x max n f (O 2 ) = n i (O 2 ) – 5x max n f (CO 2 ) = n i (CO 2 ) + 3x max = 3x max n f (H 2 O) = n i (H 2 O) + 4x max = 4x max

30 Loi de Beer- Lambert

31 Absorbance Rappel : un spectrophotomètre est un appareil qui mesure labsorbance A dune solution, cest-à-dire laptitude des espèces présentes dans une solution à absorber une radiation lumineuse de longueur donde donnée.

32 Expliquer la couleur des solutions

33 Pourquoi la solution de permanganate de potassium est-elle pourpre ? Montage

34 Pourquoi la solution de permanganate de potassium est-elle pourpre ? Labsorption a lieu entre 480 et 600 nm

35 Pourquoi la solution de permanganate de potassium est-elle pourpre ? Les radiations peu ou pas absorbées sont dans le bleu, le violet et le rouge. La couleur de la solution sera donc le résultat de la synthèse additive des radiations transmises : B + R = Magenta Donc la couleur résultante sera une couleur proche du magenta : pourpre.

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37 Relier labsorbance et la concentration

38 Absorbance et concentration Labsorbance A dune solution est proportionnelle à la concentration molaire c de lespèce chimique responsable de sa couleur:A = k x c Sans unitémol.L -1 L.mol -1 k est le coefficient de proportionnalité. Il dépend de la longueur donde, de la nature de lespèce et de lépaisseur de la solution traversée.

39 Application au dosage

40 Dosage Doser une espèce chimique en solution, cest déterminer la concentration de cette espèce. Le dosage spectrophotométrique est une technique utilisée pour les espèces colorées. Un spectrophotomètre mesure labsorbance dun ensemble de solutions de concentrations connues et croissantes (échelle de teintes) à une longueur donde donnée. II est possible de tracer une courbe détalonnage A = f(C). Cette courbe permet de déterminer par calcul ou graphiquement la valeur de la concentration inconnue dune solution identique à partir de la mesure de son absorbance.

41 Voici un ensemble de solutions de concentrations décroissantes, et la courbe détalonnage A = f(C) (ici en partie) correspondante :

42 Activité 3 : à partir de la courbe détalonnage de solutions de diiode de différentes concentrations, déterminez la concentration dune solution de diiode de A = 0,68 Remarque : Chaque carreau en A vaut 0,04 Chaque carreau en [I 2 ] vaut 0,04 mol.L -1 Construction sur la courbe : [I 2 ] = 0, mol.L -1 (ou mmol.L -1 ) 0,45 0,68

43 Chapitre 4b Réaction chimique et dosage Cest fini…


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