Chapitre 5 : changement de couleurs et réactions chimiques

 

I) rappel sur la transformation chimique

1) état initial état final

Un système chimique est un ensemble d’espèces chimiques susceptibles de réagir entre elles, sur lesquelles porte une étude particulière. Son état sera décrit en précisant :

- la nature et la quantité de matière des espèces chimiques présentes ;

- l’état physique : solide (s), liquide (l), gazeux (g), en solution aqueuse (aq)

- la température T et la pression P du système

Un système chimique peut évoluer et subir une transformation chimique qui modifie son état.

Etat initial, état final :

On appelle état initial du système chimique, l’état de ce système avant la transformation.

On appelle état final du système chimique, l’état de ce système après la transformation.

Les espèces introduites à l’état initial sont appelées «  réactifs », les espèces obtenues après la transformation, à l’état final sont appelés «  produits »

La transformation chimique est le passage de son état initial à son état final.

Exemple : réaction du métal cuivre sur une solution aqueuse de nitrate d’argent (Ag+,NO3-)

                Etat final

P = 1 bar ;   q = 20°

Ag (s) : nAg

Ions Cu2+

Ions NO3-

Molécules d’eau H2O
 

           Etat initial

P = 1 bar ;   q = 20°

Cu (s)

Ions Ag+

Ions NO3-

Molécules d’eau H2O
 
  

                                                                      

 

                                                 Transformation

 


                                                    chimique

 

 

2) L’équation chimique d’une réaction

La réaction chimique :Elle modélise la transformation chimique subie par un système. Elle ne fait intervenir que les réactifs et les produits de la transformation et pas les espèces chimiques spectatrices.

L’équation chimique (Vidéo) décrit l’évolution d’un système dans lequel se déroule une réaction chimique. Les réactifs et les produits y sont représentés par leur formule : les réactifs à gauche de la flèche, les produits à droite. :

                                   Réactifs                                  Produits

 

Au cours d’une transformation chimique, il y a conservation des éléments et de la charge électrique : il faudra donc ajuster l’équation avec des nombres placés devant les symboles, appelés nombres stœchiométriques :

                                  

Exemple:  2 Ag+ (aq) +  Cu(s)                 à    2 Ag (s)  +   Cu 2+ (aq)

 

Remarque : les espèces chimiques présentes dans le système, qui ne réagissent pas, n’interviennent pas dans l’écriture de l’équation. (NO3-)

 

II) évolution des quantités de matière au cours de l’évolution du système chimique

1) avancement ‘x’ d’une réaction chimique (vidéo)

Afin de décrire l’évolution d’un système chimique subissant une transformation chimique, on utilise un outil : l’avancement de la transformation noté x.

L’avancement x s’exprime  en mole ; il permet de déterminer les quantités de réactifs transformés et les quantités de produits formés.

L’avancement x varie au cours de l’évolution du système chimique : il vaut x = 0 mol à l’état initial et atteint sa valeur maximale xmax à l’état final.

 

La conservation de la matière permet d’exprimer les quantités de matière de tous les réactifs et de tous les produits de la transformation en fonction de l’avancement x.

Exemple :           Cu  +  2 Ag+  ® 2 Ag  +  Cu2+                      

Lorsque l’avancement est égal à x alors :

Il est apparu 2x mole d’argent et x mol d’ions cuivre

Il a disparu x mole de cuivre et 2x mole d’ions argent 

 

2) Tableau d’avancement d’une réaction chimique (vidéo)

Il permet de visualiser l’évolution du système chimique.

1ère ligne du tableau :  on écrit l’équation chimique ajustée

2ème ligne du tableau : on écrira  ‘’état du système’’, ‘’avancement ‘’, et ’’quantités de matière ‘’.

3ème ligne du tableau : décrit l’état initial, – l’avancement vaut 0

4ème ligne du tableau : décrit l’état du système au cours de la transformation pour un    

avancement x(t)  donné à n’importe quel instant t.

5ème ligne du tableau : décrit l’état final du système chimique,  l’avancement vaut xmax.

 

Exemple :

 

Equation chimique 

 

CH4

+

2 O2

®

CO2

+

2 H2O

Etat du système

Avancement

Quantités de matière ( en mol )

Etat initial

x = 0

2

4

0

0

Au cours de la transformation

x(t)

2 – x(t)

4 - 2x(t)

x(t)

2x(t)

Etat final

x = xmax

2 - xmax

4 - 2xmax

xmax

2xmax

 

3) quantité de matière à l’instant t ?

Connaissant x(t), le tableau d’avancement permet de calculer les quantités de matière de réactifs et produits à l’instant considéré.

Reprenons le tableau d’avancement à l’instant t = 1 minute, l’avancement vaut par exemple x = 0,5 mol. Par conséquent les quantités de matière des réactifs et produits sont :

n(CH4)t =  2 – x(t) = 2-0,5 = 1,5 mol

n(O2)t =  4 - 2x(t) = 4 – 0,5 = 3,5 mol

n(CO2)t = x(t) = 0,5 mol

n(H2O)t = 2.x(t) = 2x0,5 = 1 mol

 

4) Avancement maximal d’une réaction chimique (vidéo)

L’avancement maximal xmax  permet de connaître l’état final d’un système. Il correspond à la disparition du réactif limitant. Le ou les autres réactifs sont alors en excès.  L’avancement maximal est la plus petite valeur de x pour laquelle la quantité de l’un des réactifs est nulle.

 

Exemple :

 

Cu2+

+

2 OH-

è

Cu(OH)2

Etat initial

x = 0

no(Cu2+)=3.10-3

no(OH-)=9.10-4

0

Au cours de la transformation

x(t)

no (Cu2+)-x(t)=3.10-3-x(t)

no(OH-)–2x(t)=9.10-4-2x

x

Etat final

x = xmax

no(Cu2+)-xmax

no(OH-)-2xmax

xmax

 

Etat final , calcul de xmax : Vidéo

Soit les ions Cu2+  sont le réactif limitant alors :    no(Cu2+) – xmax = 3.10-3- xmax = 0  soit xmax = 3.10-3 mol

Soit les ions HO- sont le réactif limitant alors :     no(OH-) – 2xmax = 9.10-4- 2xmax = 0  soit xmax = 4,5.10-4mol.

Lorsque le calcul donne deux résultats différents, on prend la plus petite valeur de xmax .

xmax = 4,5.10-4 mol

Le réactif limitant est l’ion HO- , le réactif en excès est l’ion Cu2+.

A l’état final, les quantités de matière sont :

Etat final

x = xmax

no(Cu2+)-xmax = 25,5x10-4

no(OH-)-2xmax = 0

xmax = 4,5x10-4

 

 

5) cas d’un mélange stœchiométrique

Lorsque les réactifs sont mélangés dans les proportions indiquées par les nombres stœchiométriques de l’équation chimique, on dit que le mélange est stœchiométrique. A l’état final tous les réactifs sont consommés. Il n’y a pas de réactif en excès. On trouve la même valeur de xmax pour chaque réactif.

Exemple :

 

Equation chimique 

 

CH4

+

2 O2

®

CO2

+

2 H2O

Etat du système

Avancement

Quantités de matière ( en mol )

Etat initial

x = 0

2

4

0

0

Au cours de la transformation

x(t)

2 – x(t)

4 - 2x(t)

x(t)

2x(t)

Etat final

x = xmax

2 - xmax = O

xmax = 2 

4 - 2xmax = 0

xmax = 2

xmax   = 2

2xmax = 2x2 = 4

 

II) comment déterminer la concentration d’une espèce colorée ?

1) Absorbance d’une solution colorée.

Animation : absorbance

Une solution colorée absorbe une partie du spectre de la lumière blanche. La couleur de la solution provient de la de l’addition des radiations non absorbées.

 

Exemple : on interpose entre une source de lumière blanche et un écran une solution violette de permanganante de potassium. Le spectre obtenue appelé spectre de bande d’absorption montre que la solution à absorbée des radiations allant du vert à l’orange. La solution de permanganate laisse passer les radiations violettes bleues jaune et rouge, l’œil voit la solution violette.

 

Remarque : cercle chromatique simplifié ????????????????????????,,

Si la solution n’absorbe que dans un seul domaine de couleur (violet, bleu, vert jaune etc..) sa couleur est complémentaire de celle des radiations absorbées.

Par exemple si une solution n’absorbe que le bleu, sa couleur est jaune.

 

2) spectre d’absorption

Une radiation lumineuse monochromatique de longueur d'onde l traverse une cuve contenant une solution colorée par une espèce chimique. Une partie du rayonnement est absorbée. L’absorbance pour cette longueur d'onde est  notée A(l).  A est une grandeur sans dimension.  Le spectre d’absorption  est le graphe de l’absorbance en fonction de la longueur d’onde. Il est obtenu avec un appareil appelé spectrophotomètre.

Pour réaliser des mesures d’absorbance, on règle le spectrophotomètre sur la valeur de longueur d’onde correspondant au maximum d’absorption. La longueur d’onde est notée .

3) courbe d’étalonnage A = f(C)

Pour réaliser des mesures d’absorbance, on règle le spectrophotomètre sur la valeur de longueur d’onde correspondant au maximum d’absorption. La longueur d’onde est notée . On fait varier la concentration C de la solution et on mesure pour chaqu’une la valeur de son absorbance A. On reporte les valeurs sur un tableau puis on trace la courbe d’étalonnage A = f(C).

La courbe obtenue est appelée courbe d’étalonnage A = f(C).

Exemple : courbe d’étalonnage de l’absorbance d’une solution jaune de diiode I2 en fonction de sa concentration [I2]. On remarque que la courbe est une droite qui passe par l’origine. Par conséquent l’absorbance est proportionnelle à la concentration de l’espèce colorante.

A = k.C

La courbe d’étalonnage permet, connaissant l’absorbance d’une solution de déterminer sa concentration.

 

4) Loi de Beer Lambert

Pour des concentrations faibles, l’absorbance d’une solution est proportionnelle à la concentration de l’espèce chimique qui colore la solution. La relation entre l’absorbance et la concentration, constitue  la loi de Beer Lambert :

 

 

 

 

e ( ): coefficient d'absorption molaire qui dépend de la nature de l'espèce dissoute, de la température, et de la longueur d'onde ;  unité :  m-1 .mol-1 .L
L: longueur de solution traversée, unité : m
C (mol.L-1): concentration de la solution

La loi de Beer Lambert permet de doser (déterminer la concentration) d’une espèce chimique en solution.