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I. La réaction entre les ions iodure et l’eau oxygénée  On  étudie,  à  20°C,  la  réaction  entre  les  ions  iodure  !(!")!  et  le  peroxyde  d’hydrogène  (  eau  oxygénée)  !!!!(!").  a  (1p)-­‐  Ecrire,  avec  les  nombres  stoechiométriques  entiers  les  plus  petits  possibles,  l’équation  de  la  réaction  sachant  qu’elle  fournit  du  diiode  !!(!")et  de  l’eau  et  qu’il  s’agit  d’une  réaction  d’oxydoréduction.  Demi-­‐équations  :  

2!(!")! = !!(!") + 2!!  !!!!(!") + 2!(!")! + 2!! = 2!!!(!)  

Equation  de  la  réaction  :  2!(!")! + !!!!(!") + 2!(!")! → !!(!") + 2!!!(!)  

b-­‐    (0,5  p)  La  réaction  entre  les  ions  iodure  et  l’eau  oxygénée  est  une  réaction  lente.  Proposer  une  méthode  physique  permettant  de  suivre  l’évolution  du  système.  Une  des  espèces  est  colorée  (  I2)  .  On  peut  donc  suivre  la  réaction  par  spectrophotométrie.  Pour  cette  étude,  on  prépare  un  tube  témoin  dans  lequel  on  verse  une  solution  de  diiode  de  concentration  1,5  mmol/L.  On  réalise   ensuite   les  mélanges   suivants   à  partir  d’une   solution  d’eau  oxygénée  à  0,060  mol.L-­‐1,   d’une   solution  d’iodure  de  potassium  KI(aq)  à  0,040  mol.L-­‐1  et  d’acide  sulfurique  H2SO4(aq)  à  0,40  mol.L-­‐1.  :           V(H2O2)  [mL]   V(H+)  [mL]   V(H2O)  [mL]  Tube  A   1,5   2,5   3,0  Tube  B   2,5   2,5   2,0  Tube  C   4,5   2,5   0,0    On  verse  alors  dans  chaque  tube  3,0  mL  d’iodure  de  potassium  à  0,40  mol.L-­‐1  et  on  relève  le  temps  nécessaire  pour  que  la  coloration  de  chaque  mélange  coïncide  avec  la  teinte  du  tube  témoin  :       Tube  A   Tube  B   Tube  C  t  [s]   36   23   12    c-­‐  (1,5  p)  Calculer  les  concentrations  initiales  [H2O2]0  et  [I-­‐]0  dans  chacun  des  tubes.  Suite  aux  mélanges  réalisés  dans  chaque  tube,  les  concentrations  initiales  des  espèces  du  mélange  varient  (  sont  diluées).  Le  volume  de  solution  d’un  tube  :  Vtube  =  V(H2O2)  +  V(H+)  +  V(H2O)  +  V(  KI)  =  10,0  mL  pour  les  3  tubes  [H2O2]0=  [H2O2]  .  V(H2O2)  /  Vtube  =  0,060  .  V(H2O2)[mL]  /  10,0  [I-­‐]0  =  [I-­‐]  .  V(KI)  /  Vtube  =  0,40  .  3,0  /  10,0  =  1,2  .  10-­‐1  mol.L-­‐1    Tube   A   B   C  [H2O2]0  [mol.L-­‐1]   9,0  .  10-­‐3   1,5  .  10-­‐2   2,7  .  10-­‐2        d-­‐  (0,5  p)  Quel  facteur  cinétique  est  mis  en  évidence  ?    Le  facteur  cinétique  mis  en  évidence  est  la  concentration.  Plus  la  concentration  d’un  des  réactifs  (  ici  H2O2  )  est  importante,  plus  la  réaction  est  rapide  (coloration  des  solutions  dans  les  tubes  )    II. suivi par spectrophotométrie Les  ions  iodure  !(!")!  réagissent  avec  les  ions  peroxodisulfate  !!!!(!")!!  selon  la  réaction  d’équation  :    

2!(!")! + !!!!(!")!! → !!(!") + 2!!!(!")!!  A   l’instant   t=0,  on   réalise  un  mélange   réactionnel  S  à  partir  d’un  volume  V1  =  10,0  mL  de   solution  aqueuse  d’iodure  de  potassium,  !(!")! + !(!")! ,  de  concentration  molaire  C1=5,0x10-­‐1mol.L-­‐1  et  d’un  volume  V2=10,0  mL  de  solution  aqueuse  de  peroxodisulfate  de  sodium  ,  2!"(!")! +  !!!!(!")!!  de  concentration  molaire  C2=5,0x10-­‐3  mol.L-­‐1.  On  étudie  par  spectrophotométrie,  la  formation,  au  cours  du  temps,  du  diiode,  seule  espèce  colorée.  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  A(t)   0,08   0,13   0,23   0,31   0,39   0,45   0,50   0,55  n(I2)(t)  [μmol]  

5,00   8,13   14,4   19,4   24,4   28,1   31,3   34,4  

 t  (min)   16   18   20   30   40   50   60   90  

  2  

A(t)   0,59   0,62   0,65   0,74   0,77   0,79   0,80   0,80  n(I2)(t)  [μmol]  

36,9   38,8   40,6   à  calculer   48,1   49,4   50,0   50,0  

 1-­‐  (1p  =  0,5  formule  +  0,5  grandeurs  et  unités)  Enoncer  la  loi  de  Beer  -­‐  Lambert  pour  ce  suivi.    A  =  k  .  c  A  -­‐  absorbance  (  sans  unités)  k  -­‐  coefficient  d’absorption  molaire  [L.mol-­‐1]  c  -­‐  concentration  de  l’espèce  colorée  (  I2)  [mol.L-­‐1]  2-­‐   (0,5   p)   Déterminer   le   coefficient   d’absorption   molaire   k   du   diiode   à   partir   du   couple   des   valeurs   A=1,60   et   C=  C2=5,0x10-­‐3  mol.L-­‐1.    k  =  A/c  =  1,60/(5,0  .  10-­‐3)  =  320  L/mol    3-­‐  (1,5  p)  Donner  la  formule  qui  a  permis  le  calcul  des  quantités  de  matière  de  diiode    ! !! !  dans  le  tableau  ci-­‐dessus  à  partir  des  valeurs  de  l’absorbance.  L’utiliser  pour  calculer  ! !! 30 .    

! = !!(!!)!! + !!

=>  ! !! =  !(!! + !!)

!  

 n(I2)(30)=4,63  .  10-­‐5  mol  

 4-­‐   (0,5  p)  On  note  x(t)   l’avancement  de   la   réaction  à   l’instant   t.   Son  évolution  est   représentée  dans   la   figure   ci-­‐dessous  (Fig.1).  Donner  la  relation  utilisée  pour  obtenir  les  valeurs  x(t)      

x(t)  =  n(I2)(30)    5-­‐(1p   =   0,5p   méthode   +   0,5p   valeur)   Définir   le   temps   de   demi-­‐réaction   t1/2   et   déterminer     sa   valeur   (expliquer   la  méthode  utilisée).    Méthode  :  Le  temps  de  demi-­‐réaction  est  le  temps  au  bout  duquel  l’avancement  de  la  réaction  atteint  la  moitié  de  sa  valeur  finale.  On  détermine  donc  d’abord  la  valeur  finale  (l’asymptote  du  graphique  x(t)).    Xmax=5,00  .  10-­‐5  mol  On  cherche  ensuite  le  point  d’ordonnée  xmax/2  =  2,50  .  10-­‐5  mol  L’abscisse  du  ce  point  représente  le  temps  de  demi-­‐réaction  t1/2  Valeur  :  Sur  le  graphique  on  lit  :    t1/2=  8  min    

 Fig.1  

 

8  min  

  3  

III. Le pot catalytique  «  Les  moteurs  à  essence  rejettent  des  gaz  polluants  :  monoxyde  de  carbone  CO,  hydrocarbures  non  brûlés,  oxydes  d’azote  NO  et  NO2.  En  moyenne,  sur  une  heure  de  fonctionnement,  50000L  de  gaz  sortent  du  pot  d’échappement  d’une  voiture  à  essence.  Le  pot  catalytique  utilisé  sur  les  voitures  depuis  1993  contribue  à  diminuer  cette  pollution  .  En  fonctionnement  normal,  95%  des  gaz  polluants  sont  dégradés.  Le  pot  catalytique  (  Fig.  2)  est  formé  d’une  enveloppe  en  acier  inoxydable,  d’un  isolant  thermique  en  céramique  creusé  en  nid  d’abeille  et  imprégné  de  métaux  précieux  tels  que  le  platine  Pt,   le  rhodium  Rh,  le  palladium  Pd.  Les  métaux  précieux  tapissent  des  milliards  de  microalvéoles  dont  la  surface  totale  peut  atteindre  4500  m2.  Le  pot  catalytique,  inventé  dès  1956,  ne  fut  largement  adopté  qu’une  fois  que  les  essences  ne  comportèrent  plus  d’agent  antidétonant   au   plomb   qui   recouvrait   la   surface   de   ces   métaux,   entravant   le   fonctionnement   du   pot  :   lorsque   les   gaz  d’échappement  passent  à  travers  le  pot  catalytique,  ces  métaux  accélèrent  l’oxydation  du  monoxyde  de  carbone  en  CO2,  la  réduction  des  oxydes  d’azote  en  diazote,  et  l’oxydation  des  hydrocarbures  non  brûlés  en  CO2  et  en  eau.  Malheureusement,  sur  les  pots  usagés,  ces  métaux,  bien  que  non  consommés,  sont  difficilement  récupérables.  »  a-­‐   (1p)  Quels   sont   les   catalyseurs   utilisés   dans   un   pot   catalytique  ?.   Justifier   en   citant   des   phrases   du   texte  mettant   en  évidence  leur  propriétés  caractéristiques.  

• Les  catalyseurs  :  des  métaux  précieux  tels  que  le  platine  Pt,  le  rhodium  Rh,  le  palladium  Pd  • «  …   lorsque   les   gaz   d’échappement   passent   à   travers   le   pot   catalytique,   ces   métaux   accélèrent   l’oxydation   du  

monoxyde  de  carbone  en  CO2,   la  réduction  des  oxydes  d’azote  en  diazote,  et   l’oxydation  des  hydrocarbures  non  brûlés  en  CO2  et  en  eau.  »  

 b-­‐  (0,5  p)  En  s’aidant  du  texte  introductif  et  de  la  figure,  indiquer  le  type  de  catalyse  utilisée.  Il  s’agit  d’une  catalyse  hétérogène  (  les  réactifs  sont  des  gaz  et  les  catalyseurs  sont  des  métaux)    c-­‐  (0,5p)  Pourquoi   l’utilisation  d’une  essence  plombée  est-­‐elle  contre-­‐indiquée  dans  le  cas  d’un  véhicule  équipé  d’un  pot  catalytique  ?      «  Le  pot  catalytique,  inventé  dès  1956,  ne  fut  largement  adopté  qu’une  fois  que  les  essences  ne  comportèrent  plus  d’agent  antidétonant  au  plomb  qui  recouvrait  la  surface  de  ces  métaux,  entravant  le  fonctionnement  du  pot  »  (  les  catalyseurs  ne  pouvait  plus  jouer  leur  rôle,  n’étant  plus  en  contact  avec  les  gaz)  

 Fig.2