TP Cinetique Et Catalyse [PDF]

Zitiervorschau

MANIPULATION N °01 : FACTEUR CINÉTIQUE ET CATALYSE

COMPTE RENDU PARTIE THEORIQUE : Dans le domaine de la chimie, un facteur cinétique désigne un paramètre physique capable d'influencer la vitesse d'une transformation chimique. En conséquence, un facteur cinétique modifie la durée d’évolution d’un système chimique. Plusieurs facteurs cinétiques peuvent être envisagés comme la température, la pression et la concentration des réactifs. Cependant, un facteur cinétique n'a pas systématiquement une influence sur une transformation chimique quelconque. Un catalyseur n'intervenant pas dans l'équation de la réaction peut également être utilisé pour accélérer certaines réactions.

PARTIE PRATIQUE : I.

II.

But et principe de la manipulation : - Dans ce TP nous allons étudier l’influence de certains paramètres ou dit facteurs cinétiques sur la vitesse d’évolution d’une réaction chimique lente. - On va aussi voir le rôle des substances appeler catalyseurs qui accélèrent les transformations chimiques, ainsi que connaitre les différents types de catalyse pour comprendre les avantages et les inconvénients Produits chimiques et matériel utilisé : Les produits chimiques utilisés :    

Solution de HCl Solution de thiosulfates S₂O₃ Solution de chlorure de Fer (C = 0,2M) L’eau oxygénée H₂0₂

Les matériaux utilisés :         

Une feuille blanche sur laquelle on dessine 3 croix Béchers 1 Thermomètre Bain marie Chronomètre Burette Des tubes Une boucle d’oreille en argent Un morceau de foie

III.

Mode opératoire :

Etude de l’influence des concentrations initiale des réactifs : a) 1ere série d’expérience : Effet de la concentration en ions thiosulfates :  Sur une feuille blanche, dessiner 3 croix et poser 3 béchers dessus.  Introduire dans chaque bécher 30ml de thiosulfate de concentration Ci.  Mesurer la température du milieu réactionnel dans le deuxième bécher.  A chacune des trois solutions, ajouter 1ml d’une solution de HCl de concentration 1mol.L⁻1 tout en déclenchant le chronomètre.  Mesurer le temps tf qui correspond à la disparition visuelle de la croix.  Compléter le tableau et noter vos observations.

Les résultats obtenus : Influence de la concentration initiale en ions de thiosulfates 𝑺₂𝑶₃⁻

aq (mol/l)

Tf(s)

1

0,5

0,1

42

90

480

b) 2eme série d’expérience : Effet de la concentration de l’acide chlorhydrique :  Refaire les mêmes étapes précédentes tout en effectuant les mélanges suivants : A 30ml d’une solution de thiosulfate de concentration 0,5 mol.L-1, ajouter 1ml de HCl de concentration Ci’ Les résultats obtenus : Influence de la concentration initiale en acide chlorhydrique 𝑯𝑪𝒍 (mol/l)

1

0,5

0,25

Tf(s)

90

2700

3795

c) 3eme série d’expérience : Etude de l’influence de la température : L’essai no3 de la deuxième série d’expérience est repris a trois température différentes en plaçant momentanément les solutions dans un bain-marie a la température souhaitée (Tambiante ,Teau froide, T= 40 ou 60oC …) Influence de la température 𝑻𝒆𝒎𝒑é𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒆 (oC)

T1 = 14,8

T2 = 19,8

T3 = 50,3

Tf(s)

90

2712

3795

d) 4eme série d’expérience : o La catalyse : Ici on s’intéresse maintenant à l’étude de la réaction de décomposition de l’eau oxygénée, ce dernier est très lente et qui peut être accélérée par la présence de certaines substances de nature différentes. MODE OPERATOIRE : La réaction de dismutation de peroxyde d’hydrogène H2O2, sera réalisée plusieurs fois, par trois types de catalyse. Deux tubes témoins seront préparés : TUBE NO1 : Contenant une solution de chlorure de fer 3 (pour la couleur). TUBE NO2 : Contenant de l’eau oxygénée a 30 volumes. Préparer trois autres tubes à essai contenant chacun 10ml de H2O2, ajouter pour : TUBE NO3 : 2ml d’une solution de chlorure de fer FE 3 a la concentration de 0.2M. TUBE NO4 : une bague en argent. TUBE NO5 : une petite tranche de foie (ou de viande). LES OBERVATIONS : Les tubes 1 et 2 : sont des tubes témoins. Le tube no3 : changement de couleur de la solution, ébullition ainsi qu’évaporation on a aussi constaté un dégagement d’énergie sous forme de chaleur après un certain moment la couleur initiale de la solution a réapparue. Le tube no4 : On observe des bulles d’oxygène sur la surface de la bague (surface de contact), On ne constate pas de changement de couleur de la solution et la bague reste tel qu’elle est on ne remarque aussi aucun changement (décomposition ou autre...) Le tube no5 : On constate une formation de mousse blanche, le foie a commencé à se décomposer et à changer de couleur ; Après un certain moment le morceau de foie n’apparait plus on en déduit qu’il a été complètement décomposé.

IV.

Exploitation des résultats :  Les deux demi-réactions mises en jeu, déduction de l’équation bilan associé a la réaction étudiée dans la première partie : 2HCl  Cl2 + 2H+ + 2é S2032- + 2H+  S + SO2 + H2O La réaction globale : 2HCl + S2O32- Cl2 + S + SO2 + H2O  Discussion des résultats obtenue pour chaque mélange réactionnel : LA 1ere PARTIE :  Pendant l’étude de l’effet de la concentration en ions thiosulfates et de l’acide chlorhydrique nous avons remarqué qu’après une certaine durée la couleur de notre solution change elle devient peu à peu opaque, la croix dessiné sur la feuille blanche n’était plus perceptible. On explique ce changement par le fait de formation de particules de souffre solide. Autre remarque : - Plus la concentration est basse le temps tf qui correspond à la disparition visuelle de la croix augmente. - Quand les 2 concentrations sont identiques et que notre solution est dans un milieu a température élevé la transformation chimique est rapide. Donc on en déduit que la transformation chimique est plus rapide quand les concentrations et la température est élevé. Quand la température augmente, la fréquence des chocs efficaces est plus importante donc la transformation est plus rapide, l’évolution du système chimique est plus rapide. Quand la concentration initial des réactifs augmente, le nombre de chocs par unité de temps et de volume augmente donc la transformation est plus rapide, la vitesse volumique augmente.

LA 2eme PARTIE :  Dans le 1er tube et le 2eme tube RAS car ce sont des solutions témoins.  Dans le 3eme tube la couleur de la solution a changé on a aussi remarqué une ébullition ainsi qu’une évaporation ; on constate un dégagement d’énergie sous forme de chaleur après un certain moment la couleur initiale de la solution a réapparue. La réapparition de la couleur initiale (orange) nous indique la présence de chlorure de fer FE 3 cela veut dire que ce dernier n’a pas participer dans la réaction DONC c’est un catalyseur de type homogène (il a le même état physique que les réactifs).  Dans le 4eme tube On observe des bulles d’oxygène sur la surface de la bague (surface de contact), On ne constate pas de changement de couleur de la solution et la bague reste tel qu’elle est on ne remarque aussi aucun changement (décomposition ou autre...)

Dans ce cas on déduit que l’utilisation d’un catalyseur hétérogène comme l’argent augmente considérablement le taux de décomposition du peroxyde d'hydrogène. Ce phénomène produit un dégagement d'oxygène intense ainsi qu'une forte chaleur.

 Dans le 5eme tube On constate une formation de mousse blanche, le foie a commencé à se décomposer et à changer de couleur ; Après un certain moment le morceau de foie n’apparait plus on en déduit qu’il a été complètement décomposé.  Le foie est considéré comme une catalyse enzymatique car il contient une protéine animale qui elle a pour mission d’accélérer les réactions chimiques et biologiques. Sans oublier que le foie est riche en FER donc cette enzyme en contient des ions qui eux entre dans la dismutation du peroxyde d’Hydrogène.  Explication, au niveau microscopique, comment la concentration des réactifs et la température sont des facteurs cinétiques : Un facteur cinétique désigne un paramètre physique capable d'influencer la vitesse d'une transformation chimique Lors d’une transformation chimique, le passage de l’état initial (contenant les réactifs) à l’état final (contenant les produits) nécessite une durée plus ou moins longue. Selon son influence, un facteur cinétique permet d'atteindre plus rapidement ou plus lentement l'état final du système chimique. Au niveau microscopique, pour les gaz et les liquides on sait que les molécules se déplacent très vite. Une augmentation de la concentration des réactifs induit donc une probabilité de chocs efficaces plus élevée. On retrouve un fait similaire à l'augmentation de température. En général, plus la température du milieu réactionnel est élevée, plus la durée de la transformation est courte et par conséquent plus la réaction est accélérée.  Dans le 2eme tube à essai le gaz dégagé n’est pas perceptible a l’œil nu on peut l’identifier en approchant une allumette on remarque que la flamme devient plus grande ceci nous indique la présence de dioxygène.  Interprétation des observations obtenue pour chaque manipulation :  Dans le 1er tube et le 2eme tube RAS car ce sont des solutions témoins.  Dans le 3eme tube la couleur de la solution a changé on a aussi remarqué une ébullition ainsi qu’une évaporation ; on constate un dégagement d’énergie sous forme de chaleur après un certain moment la couleur initiale de la solution a réapparue. La réapparition de la couleur initiale (orange) nous indique la présence de chlorure de fer FE 3 cela veut dire

que ce dernier a participé dans la réaction mais a été régénéré en fin de réaction. DONC c’est un catalyseur de type homogène (il a le même état physique que les réactifs).  Dans le 4eme tube On observe des bulles d’oxygène sur la surface de la bague (surface de contact), On ne constate pas de changement de couleur de la solution et la bague reste tel qu’elle est on ne remarque aussi aucun changement (décomposition ou autre...) Dans ce cas on déduit que l’utilisation d’un catalyseur hétérogène comme l’argent augmente considérablement le taux de décomposition du peroxyde d'hydrogène. Ce phénomène produit un dégagement d'oxygène intense ainsi qu'une forte chaleur. Par contre la boucle en argent n’est pas consommé elle n’est pas altéré par la réaction.

 Le fer, la boucle d’oreille en argent ainsi que le bout de foie n’ont pas disparu car ce sont des catalyseur ce dernier est une substance qui augmente la vitesse d’une réaction chimique sans en modifier le bilan.  Définition d’un catalyseur : En chimie un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d’une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n’apparait donc pas dans l’équation-bilan de cette réaction. Le catalyseur accélère, parfois dans des proportions considérables, la réaction chimique, mais il n’est pas consommé : soit il ne participe pas a la réaction mais sa présence facilite la rupture des liaisons soit il y participe mais est régénère à la fin.  La réaction de décomposition de H2O2 en faisant apparaitre les 3 catalyseurs testés : H2O2 + 2H+ + 2é  H2O H2O2  O2 + 2H+ + 2é Donc : 2H2O2  O2 + H2O  Les différents types de catalyseurs sont : CATALYSE HOMOGENE : une catalyse est dites homogène lorsque le catalyseur et les réactifs forment une seule phase, généralement liquide ou gazeuse. Le catalyseur intervient au cours de la transformation chimique mais il est régénéré tout au long de la réaction : on le trouve quasiment intact en fin de réaction. Les avantages et les inconvénients : Il est dans la même phase (gaz ou liquide) que les réactifs.

Condition de réactions plus douces telles que des pressions basses, des températures modérées et aussi une meilleure sélectivité. La séparation est difficile. Le mécanisme est facile. CATALYSE HÉTÉROGENE : Une catalyse est dites hétérogène lorsque le catalyseur et les réactifs forment plusieurs phases. Généralement, le catalyseur est solide et les réactifs sont à l’état liquide ou gazeux. En effet plus la surface de contact entre le catalyseur et les réactifs est élevée, et plus la réaction est rapide. Les avantages et les inconvénients : D’abord les conditions sont vigoureux, et les réactions ne sont sélectives, et ne peut pas être modifié. La séparation est facile. Le mécanisme est difficile. CATALYSE ENZYMATIQUE : Une catalyse est dite enzymatique si le catalyseur est une enzyme. Généralement une enzyme ne catalyse qu’une seule réaction chimique. L’enzyme est un protéine c’est-à-dire une macromolécule constituée par l’enchainement de plusieurs centaine d’acide aminés. Les avantages et les inconvénients : Ils ont l’avantage d’être naturels et peuvent donc être considérées comme non polluants. La catalyse enzymatique repose à la fois sur l’orientation favorable des composés devant réagir dans le site actif de l’enzyme. POUR LA RÉACTION ÉTUDIÉE LE MODE LE PLUS EFFICACE EST L’ENZYMATIQUE CAR IL FAVORISE LA RÉACTION CATALYSÉE EN PERMETTANT UN CHEMIN RÉACTIONNEL PLUS FAVORABLE ; QUI ABAISSE EN PARTICULIER L’ÉNERGIE D’ACTIVATON DE LA RÉACTION, EN STABILISANT L’ÉTAT DE TRANSITION.  Lors du soin d’une plaie avec de l’eau oxygénée, un dégagement gazeux apparait ce dernier est dû à la réaction de dismutation par l’eau oxygénée catalysée par les ions du fer 3 que le sang humain contient.  Les autres facteurs cinétiques sont : La nature du solvant : Le choix du solvant peut dans certains cas avoir une influence sur la vitesse de la réaction. La pression : En tant que facteur cinétique, la pression n’a réellement pas d’influence que lors des réactions en phase gazeuse, les phases condensées étant peu sensibles aux différences de pression. La lumière : La lumière permet d’augmenter la vitesse de réaction.

LA CONCLUSION : Une transformation chimique n’est pas toujours rapide ; il est cependant possible de modifier sa vitesse. Un facteur cinétique modifie la durée d’évolution d’un système chimique. Un facteur cinétique désigne un paramètre physique capable d’influencer la vitesse d’une transformation chimique. Un catalyseur n’intervenant pas dans l’équation de la réaction peut également être utilisé pour accélérer certaines réactions.