Chapitre 2 : suivi temporel d’une réaction chimique

Etat final d’un système chimique : étude par spectrophotométrie et titrage(Nouvelle Calédonie novembre 2004) corrigé

 

Les ions iodure (I-) réagissent avec les ions peroxodisulfate (S2O82-).L’équation associée à la réaction s’écrit : 2I-(aq) + S2O82-(aq) = I2(aq) + 2SO42-(aq)      (1)En présence d’ions iodure, le diiode se transforme en ions triiodure (I3-) de couleur brune. Pour simplifier l’écriture, on raisonnera à partir de l’équation (1) sans tenir compte de la formation des ions triiodure.A un instant pris pour origine des dates (t = 0 min), on réalise un mélange réactionnel S à partir d’un volume V1 = 10,0 mL de solution aqueuse d’iodure de potassium (K+(aq) + I-(aq)) de concentration molaire en soluté apporté c1 = 5,0×10-1 mol.L-1 et d’un volume V2 = 10,0 mL de solution aqueuse de peroxodisulfate de sodium (2Na+(aq) + S2O82-(aq)) de concentration molaire en soluté apporté c2 = 5,0×10-3 mol.L-1.

1. Suivi spectrophotométrique de la transformation chimique.

On souhaite étudier la formation du diiode au cours du temps par spectrophotométrie. Un prélèvement du mélange réactionnel S est introduit rapidement dans la cuve d’un spectrophotomètre dont la longueur d’onde est réglée sur une valeur adaptée à l’absorption par le diiode. On admettra que le diiode est la seule espèce colorée présente dans le mélange et qu’au cours de l’expérience la température de la solution reste constante. Les résultats des mesures d’absorbance en fonction du temps sont rassemblés dans le tableau ci-dessous :

t (min)

1

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

30

40

50

60

90

A

0,08

0,13

0,23

0,31

0,39

0,45

0,50

0,55

0,59

0,62

0,65

0,74

0,77

0,79

0,79

0,79

1.1. La spectrophotométrie est une méthode non destructive pour suivre l’évolution d’un système chimique. Proposer une autre méthode de suivi cinétique non destructive.

1.2. La mesure de l’absorbance A de solutions aqueuses de diiode de différentes concentrations molaires c montre que A est proportionnelle à c. On détermine le coefficient de proportionnalité k à partir du couple de valeurs (c = 5,0×10-3 mol.L-1 ; A = 1,70).

            1.2.1. Calculer la valeur du coefficient de proportionnalité k et préciser son unité.

1.2.2. Donner l’expression de la quantité de matière n(I2)t en fonction de l’absorbance au cours du temps de k et des volumes V1 et V2.

            1.2.3. Calculer la quantité de matière de diiode formé à l’instant de date t = 14 min.

1.3. On note x l’avancement de la réaction à l’instant de date t. à cet instant, la quantité de diiode formé est égale à x.

En utilisant les valeurs expérimentales et la relation donnée à la question 1.2.3., on obtient la courbe traduisant l’évolution de x en fonction du temps ; cette courbe est représentée sur l’ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE.

Donner une méthode qui permettrait d’obtenir plus rapidement la même quantité finale de diiode à partir du même mélange réactionnel S.

 

2. titrage du diiode formé après 90 minutes de réaction.

On veut vérifier par un titrage la quantité de matière de diiode formé à l’instant de date t = 90 min. Pour cela, à cet instant, on introduit dans un erlenmeyer contenant de l’eau glacée un échantillon de volume V = 5,0 mL du mélange réactionnel S. A l’aide d’une solution étalon de thiosulfate de sodium

(2Na+(aq) + S2O32-(aq)) de concentration molaire en soluté apporté c’ = 2,5×10-3 mol.L-1, on titre le diiode présent dans l’échantillon en présence d’un indicateur de fin de réaction. L’équivalence est atteinte pour un volume V’E = 9,2 mL.

L’équation associée à la réaction support du titrage est :

I2(aq) + 2S2O32-(aq)  = 2 I-(aq) + S4O62-(aq)

2.1. Représenter sur la copie le schéma du dispositif de titrage en précisant le nom du matériel et la nature des solutions.

2.2. Définir l’équivalence du titrage.

2.3. Exploitation du titrage.

2.3.1. En exploitant le résultat du titrage, exprimer littéralement en fonction de c’ et de V’E la quantité de matière de diiode formé, à l’instant de date t = 90 min, dans le mélange réactionnel décrit au début de l’exercice. On notera cette quantité de matière n(I2)t= 90 min

2.3.2. Calculer la valeur de cette quantité de diiode formé.

2.3.3. Comment vérifier cette valeur à l’aide des données de l’épreuve ?

 

3. Étude théorique et bilan comparatif.

3.1. L’équation (1) associée à la réaction entre les ions iodure et les ions peroxodisulfate est rappelée ci-dessous :

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

Les couples mis en jeu sont I2(aq) / I-(aq) et S2O82-(aq) / SO42-(aq)

A partir des demi-équations que l’on nommera retrouver l’équation (1) associée à la réaction.

3.2. La transformation chimique est supposée totale.

3.2.1. En utilisant les données concernant le mélange réactionnel S, à l’instant t = 0 s, défini en introduction de l’exercice, compléter le tableau d’avancement figurant sur l’ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE.

3.2.2. En déduire l’avancement maximal de la réaction et la quantité de matière maximale en diiode formée.

3.3. On appelle écart relatif d’une valeur expérimentale nexp(I2) par rapport à la valeur théorique attendue nth(I2) le rapport :

Comparer le résultat expérimentale au résultat théorique. Commenter.

            3.4 Déterminer la concentration en ion sulfate à t  = 10 min

ANNEXE

A RENDRE AVEC LA COPIE

Relation stœchiométrique

      2I– (aq)        +   S2O82–(aq)         =            I2 (aq)      +    2  SO42– (aq)

État du système

Avancement

Quantité de matière en mol

État initial

 

 

 

 

 

Au cours de la transformation

 

 

 

 

 

État final attendu

xmax